一、研究背景与目标
1.天然纤维复合材料的挑战
聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等通用塑料轻质、易加工，但强度和刚度不足，需纤维增强。
天然纤维（如竹纤维）因可再生、低能耗优势受关注，但其复合材料强度和韧性仍受限，传统改性方法（表面处理、颗粒添加）存在纤维损伤、成本高、污染问题。
2.仿生灵感自然界多层螺旋结构（如竹纤维细胞壁的18层同心圆微纤，螺旋角3°-45°；贝壳、骨骼的螺旋纤维）通过应力分解和裂纹偏转实现高强度与韧性平衡。
现有仿生结构多为3层以下、角度阶跃变化或弹簧状单纤维，层间结合弱、应力集中，难以复制生物结构的优异性能。
二、仿生设计与制备渐变螺旋（GH）结构设计
过渡单元：通过滚动+扭转构建，竹纤维在LLDPE薄膜上排列后卷成瑞士卷，再扭转使纤维螺旋角从表面到核心连续减小（如GH-30° 表面30°→核心8.5°），层间交错角仅1.0°-2.0°（最小文献报道值），实现3D螺旋纤维的层间桥接。
制备工艺：材料：60%竹纤维（≈20 cm）、36% LLDPE、4% MAPE（增容剂）。步骤：纤维排列→卷绕成圆柱（14 mm直径）→扭转成型→热压（140°C，7 MPa，7 min）→冷却得到4 mm厚板材。
三、结构表征螺
旋角分布：GH-22°、GH-30°、GH-38° 的表面螺旋角分别为22°、30°、38°，核心螺旋角依次为5.8°、6.8°、8.2°，呈连续渐变。
3D结构保留：热压后纤维螺旋角无显著变化，纳米CT显示纤维在厚度方向桥接，密度均匀性验证结构稳定性。
四、机械性能对比
性能
GH-0°
（单向）
GH-22°
GH-30°
GH-38°
提升幅度
（GH-30°vs GH-0°）
拉伸强度
（MPa）
45.3
54.8
57.1
46.1
弯曲强度
44.6
56.0
68.7
46.7
+54.5%
冲击韧性
（kJ/m²）
47.9
65.9
68.1
74.2
+42.1%
五、强化与增韧机制
1.强度提升机制
应力分解：螺旋纤维将外部载荷分解为切向力（\(F_T = F\cos\alpha\)）和法向力（\(F_B = F\sin\alpha\)），切向力主导时纤维有效承载，法向力过大会导致脱粘。临界螺旋角（22°-30°）下应力均匀分布，避免集中。
层间桥接：3D螺旋纤维连接不同层，增强层间结合，减少界面失效。
2.韧性提升机制
裂纹偏转：层间交错的螺旋角引导裂纹沿复杂路径扩展，增加能量消耗；不同于Bouligand结构的1D纤维，GH结构的3D纤维桥接抑制层间断裂。
纤维解卷耗能：冲击下螺旋纤维变形解卷，通过塑性变形吸收能量，减少纤维直接断裂。
六、结论与展望
创新：首次通过过渡单元实现螺旋角连续渐变的多层结构，解决传统仿生结构的层数少、角度突变问题。
优势：无化学处理、工艺简单、可拓展至PP等基体（PP基GH复合材料拉伸强度92.7 MPa），环保经济。
局限：LLDPE基体强度较低，未来可优化基体或纤维类型进一步提升性能。
应用：有望用于轻量化结构材料，如汽车零部件、航空板材、建筑复合材料。
关键问题
1.GH结构相比传统单向纤维复合材料，核心创新点是什么？
答案：GH结构通过渐变螺旋角设计和3D纤维桥接实现两大突破：
螺旋角从表面到核心连续变化（如30°→8.5°），层间交错角仅1.0°-2.0°，避免传统阶跃结构的应力集中；
3D螺旋纤维在厚度方向桥接不同层，增强层间结合，而单向纤维仅2D排列，层间易失效。
2. GH结构如何同时提升复合材料的强度和韧性？
答案：强度提升：螺旋纤维将载荷分解为切向力（增强纤维承载）和法向力（控制在界面结合力范围内），临界角度下应力均匀分布，充分发挥纤维强度；
韧性提升：层间交错结构引导裂纹偏转，3D纤维桥接抑制层间断裂，螺旋纤维解卷变形吸收冲击能量，实现裂纹多路径扩展与能量耗散。
3.该研究的环境友好性体现在哪些方面？
答案：无化学处理：避免传统改性方法（如NaOH处理、纳米颗粒沉积）的化学试剂使用，减少污染；
工艺简单：仅通过物理滚动、扭转和热压成型，无需复杂机械处理或高能耗步骤；
材料可再生：以竹纤维等天然纤维为增强体，替代玻璃/碳纤维等不可再生材料，降低能耗与碳排放。
图解
图1. a)仿生GH复合材料的制造工艺示意图。b)过渡单元中选取的四个相邻纤维层，其螺旋角呈连续变化。c)仿生GH结构复合材料的实物图。d-g) GH复合材料与其他已报道研究在强度和韧性提升方面的比较。(d)典型的天然纤维增强热塑性复合材料包括：NaOH处理的黄麻纤维（≈10 mm）增强淀粉基聚合物复合材料（参考文献[5a]）、单宁酸改性竹纤维（100-120目）增强PBSA复合材料（参考文献[5c]）、低共熔溶剂处理的玉米秸秆（>0.178 mm）增强HDPE复合材料（参考文献[*]），以及全纤维素纳米纤维改性的竹纤维（1.13 mm）增强PP复合材料（参考文献[8a]）。GH-0代表本研究中制备的单向竹纤维（≈20 cm）结构复合材料。
图2过渡单元和所得复合材料的结构表征 （13.5×13.5×4 mm）。a）GH-30° 的代表性过渡单元的数字图像。b） 过渡单元的横截面示意图，显示BF的连续螺旋分布和逐渐变化的螺旋角。c-f） 不同深度的GH-30° 复合板的俯视图。具体来说，（c-f） 分别对应于顶面下方0、0.50、1.00和1.50 mm的位置。g-j）。GH-30° 复合板在不同位置的侧视图。（g–j） 分别对应于0、1.75、3.50和5.25 mm处的侧面位置。k） 过渡单元内不同径向位置的螺旋角。l-n）3D地形重建以及 （l）GH-22°、（m）GH-30° 和 （n）GH-38° 的相应X射线投影图像。
图3仿生GH复合材料的强度和相关加固机制：a）GH复合材料的拉伸强度和b） 应力-应变曲线。c） 应力分解和d） 螺旋纤维的展开效应。e–h） （e）GH-0°、（f）GH-22°、（g）GH-30° 和 （h）GH-38° 的特征拉伸损伤形态。i）GH复合材料的弯曲强度和j） 应力-应变曲线。k） 单向结构中的应力集中和l） 弯曲时螺旋结构中的应力传递机制的插图。m–p） 弯曲破坏下通过DIC方法获得的 （m）GH-0°、（n）GH-22°、（o）GH-30° 和 （p）GH-38° 的应变 （%） 分布。
图4仿生GH复合材料的韧性和增韧机制：a） 冲击韧性。b） 通过GH结构的交错结构和纤维桥接效应协同构建多维裂纹偏转机制。c）Bouligand结构的层间骨折。d–g） （d）GH-0°、（e）GH-22°、（f）GH-30° 和 （g）GH-38° 的代表性损伤形态。h–j） 当撞击器位移为10 mm、（h）exx、（i）exy和 （j）eyy时，从落锤冲击试验中获得的应变 （%） 分布。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202501166
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