传统复合材料往往在强度与韧性之间难以兼得，而自然界中的生物材料如珍珠母和铁甲虫外骨骼，通过其独特的“砖-泥”结构和缝合式界面连接，实现了优异的断裂抗性。然而，现有研究对几何参数如振幅-长度比（A/L）以及曲线界面设计对力学行为的影响尚缺乏系统探索。此外，多数研究集中于单一策略或孤立类型，缺乏统一的设计原则指导复杂结构的制造。
近日，台湾清华大学的研究团队在Composite Structures发表了相关研究成果，该研究通过结合珍珠母启发的双相复合材料与铁甲虫启发的拓扑互锁复合材料，将复合材料韧性最高提升96.14%，实现了强韧协同的仿生性能突破。论文标题为”Enhancing mechanical properties of bio-inspired composites via topological interlocking and multi-layer designs”。
该研究采用了一种集成的设计与制造方法，采用Python编程生成了仿生多层图案，包括正方形、六边形、拓扑互锁图案及其Bézier曲线变体，并将其转化为三维模型。随后，采用Stratasys J55 Prime多材料3D打印机，使用Vero White（硬相）、Elastico（软相）和FLXA9895（中间相）三种具有不同力学性能的聚合物材料，试样设计包含不同层数（1至12层）、软材料比例（0%至15%）及六边形单元尺寸（1 mm至6 mm）。力学性能通过Instron 3367系统进行单边缺口拉伸测试评估，应变率为3 mm/min。此外，研究还采用分子动力学模拟，基于Lattice Spring Model分析应力分布与断裂机制，并结合SEM和激光共聚焦显微镜观察断裂形貌。
图1 复合材料设计的生物灵感：（a）珍珠母的多层结构；（b）由碳酸钙砖和有机砂浆组成的“砖-泥”结构示意图；（c）铁甲虫外骨骼的缝合结构。
图2 （a）珍珠母“砖-泥”结构的合成仿生复合材料设计；（b）模仿硅藻缝合设计的互锁片层结构；（h）有限元分析模拟缺口试样裂纹起始点的冯·米塞斯等效应力分布。
该研究通过系统参数优化，显著提升了复合材料的断裂抗性。试验结果表明，拓扑互锁结构能极大地增强材料的韧性：当A/L比从0增至0.4时，拓扑互锁试样的韧性提高了83.1%；基于Bézier曲线的拓扑互锁结构更是实现了96.14%的韧性增长。在层数优化方面，八层结构表现出最佳性能，峰值拉伸强度和韧性最高，而超过十层后性能下降。在图案参数中，六边形边长为1.5 mm、软材料比例为10%时，材料强度和韧性达到最优。分子动力学模拟进一步揭示，高A/L比下应力集中于互锁单元的颈部区域，形成“锁状”结构，有效阻碍裂纹扩展。SEM图像显示，多层复合材料断裂表面呈现纤维状连接和曲折路径，表明存在裂纹桥接和偏转等韧化机制。
图3 不同设计参数下珍珠母启发复合材料的力学性能：（a）层数对峰值拉伸强度和韧性的影响；（b）3×3参数研究的应力-应变曲线；（c）六边形单元尺寸的影响；（d）软相比例的影响。
图4 不同A/L比缺口复合材料的力学性能：（a）原始拓扑互锁图案应力-应变曲线；（b）各A/L值的峰值应力、韧性与断裂比；（c）Bézier曲线拓扑互锁图案应力-应变曲线；（d）对应力学性能；（e）使用较软材料的Bézier曲线拓扑互锁图案应力-应变曲线；（f）使用较硬材料的曲线。
图5 分子动力学模拟结果，显示不同A/L比下应力集中与锁状结构形成。
该研究提出的模块化设计框架，结合几何形状、层状结构与材料对比，为下一代柔性电子、防护系统和仿生复合材料提供了可调的断裂抗性策略。其方法不仅适用于小尺度试样，还可扩展至更大系统，尽管目前仍存在材料可重复性和多轴载荷测试的局限性。未来研究可进一步探索动态载荷与多轴应力条件下的性能表现，以更好地模拟实际应用环境。
图6 拉伸测试后断裂表面的SEM图像：（a）纯Vero White试样；（b）软硬交替复合材料。
该研究从珍珠母和铁甲虫中汲取灵感，设计了包含多种图案的多层复合材料，系统评估了层数、软相比例和几何参数对性能的影响。结果表明，通过优化拓扑互锁与Bézier曲线设计，可显著提升材料的强度和韧性。分子动力学模拟与实验数据一致，证实了互锁结构在应力重新分布和裂纹抑制方面的作用。该研究不仅揭示了仿生复合材料的设计原则，还为高性能结构材料的开发提供了新思路，具有重要的科学与工程意义。
原始文献：
Yang, J., Lin, C.-C., Lin, P.-R., & Chen, P.-Y. (2025). Enhancing mechanical properties of bio-inspired composites via topological interlocking and multi-layer designs. *Composite Structures*.
原文链接：
https:///10.1016/j.compstruct.2025.119808