《Applied Materials Today》：Layered construction–synergistic optimization for performance breakthroughs: Design paradigms in aerospace layered composite materials/structures
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分层复合材料/结构（ALCM/Ss）通过分层离散化、界面调控和多尺度协同实现性能优化，突破传统材料结构限制。其分类体系基于“分层构造-协同优化”特征，沿界面特性、耦合关系和核心输出三个维度分为整体分层复合材料、模块化分层结构和涂层多层系统，在航空发动机叶片热障涂层、机身复合材料、无人机机翼等场景中展现轻量化、多功能集成优势，为高超声速飞行器等先进装备提供理论框架和设计范式。
张汉如|蔡良亮|韩成琪|王哲峰|童刚
沈阳航空航天大学航空航天工程学院，中国沈阳110136
摘要
均质材料和整体结构的潜力正接近其物理极限。层状复合材料/结构（LCM/Ss）通过利用组合效应和协同效应，克服了传统系统的局限性，并在跨尺度性能集成方面表现出独特的优势。由于严格的性能要求，航空航天层状复合材料/结构（ALCM/Ss）尤为具有代表性和开创性，本研究对其进行了系统性的回顾。研究结果表明，ALCM/Ss通过层状离散化、界面调控和多尺度协同作用实现了整体性能的优化，体现了“离散集成”的先进设计理念。基于“层状构造-协同优化”的共同特征，ALCM/Ss可以沿着三个维度进行分类：界面特性、耦合关系和核心输出，分为整体层状复合材料、模块化层状复合结构和基于涂层的多层系统。这三种系统都遵循层状构造的逻辑，通过功能分层实现方向性的性能分配，并通过界面设计实现载荷传递、能量管理和功能表达，在系统层面形成互补性和耦合。层状复合设计是实现材料/结构系统超高性能、高集成度和多维度耦合的关键方法。它为新材料开发和结构优化提供了一个可移植的理论框架和设计范式。此外，预计它将成为集成材料-结构-功能-应用设计的重要策略。
引言
层状复合材料/结构（LCM/Ss）是由不同材料层沿厚度方向有序堆叠而成的多层复合系统。它们具有与均质材料或整体结构不同的构造特性和结构特性。典型特征如图1所示。通过多层设计和配置定制，材料/结构系统可以实现多样性，并实现材料-结构-功能的集成和协同设计[1]，[2]。通过层状构造和界面调控，多层复合系统可以优化应力分布和功能传递路径[3]，[4]，从而显著提高承载效率和多功能集成能力，并实现协同效应。这些特性使它们能够克服传统材料/结构的性能限制，成为实现性能提升、功能集成和结构优化的关键方法。
LCM/Ss在航空航天领域的应用具有代表性和开创性。探索其特性和机制对于促进材料/结构系统的发展具有重要意义。目前，关于航空航天层状复合材料/结构（ALCM/Ss）的研究大多集中在个别方面，缺乏涵盖材料、结构和功能系统的系统分析和总结。对ALCM/Ss的多层设计和集成策略的全面研究有助于探索性能提升、多维度协同效应和系统多样性的机制。本研究聚焦于“层状构造-协同优化”的共同特征，系统分析了典型的ALCM/Ss及其扩展形式，并讨论了层间粘结技术、关键挑战和未来发展前景。旨在为新材料开发和结构优化提供理论支持和创新见解。
航空航天设备对性能[5]、轻量化设计[6]、功能集成[7]、[8]和环境适应性[8]、[9]（图2）提出了严格的要求。LCM/Ss凭借其出色的多维度适应性，能够有效满足这些需求，从而展现出显著的发展优势和技术领先性。
LCM/Ss在航空领域的应用可以追溯到1903年莱特兄弟的Flyer I飞机。这种由织物覆盖层和木质框架组成的皮壳-框架结构实现了轻量化设计，同时满足了必要的结构强度[10]，可以被视为早期层状复合结构的一种形式。随着航空航天制造技术的进步，LCM/Ss不断演变，并在航空航天领域的技术创新中发挥了重要作用[11]。
LCM/Ss在航空航天领域的应用主要包括以下几个方面：（1）层状复合材料：波音787的GEnx发动机整流罩采用了碳纤维/双马来酰亚胺LCM/S，重量减少了约350公斤，有效降低了燃油消耗并延长了飞行范围[12]，同时提高了结构刚度和强度。空客A380的机身部分使用了GLARE复合材料，这是一种高强度铝合金和玻璃纤维的层压材料，重量减少了约25%[13]，并提高了抗疲劳性能。（2）层状复合结构：空客A318的侧壁和其他部件采用了由编织玻璃纤维增强酚醛层压板和Nomex蜂窝芯组成的夹层结构，具有优异的耐腐蚀性、抗烧穿性和高冲击强度[14]。太阳能无人机的箱梁采用了碳纤维面层/聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫夹层结构，实现了轻量化设计，同时具有更高的比强度和刚度，有效抑制了局部弯曲变形[15]。（3）涂层系统：飞机发动机的涡轮叶片涂有7YSZ/Al?O?热障涂层，提高了辐射反射率，使叶片表面温度降低了约180°C，从而将使用寿命延长了十倍[16]。GE CF6发动机的高压涡轮叶片使用了陶瓷涂层，在1600°C的工作条件下提供热保护[17]。波音787机翼的前缘喷涂了液态金属涂层，形成了通过电阻加热实现动态除冰的抗冰系统[1]。
LCM/Ss已深入集成到飞机的三个核心领域：推进系统、承重结构和功能表面[18]，[19]。随着材料和制造技术的不断进步，LCM/Ss预计将在提高航空航天设备的性能和功能集成方面发挥越来越重要的作用。
基于“层状构造-协同优化”的共同特征，本研究建立了一个三维（3D）坐标框架（图3）。它从三个维度（界面特性、耦合关系和核心输出）将ALCM/Ss分为三种典型形式：整体层状复合材料、模块化层状复合结构和基于涂层的多层系统。这三种系统在保持层状构造逻辑的同时，具有相对独立的结构特性。通过层状设计、配置优化和功能耦合策略，它们可以实现性能提升、结构增强和功能扩展。它们体现了ALCM/Ss中的“离散集成”设计理念，代表了向超高性能、多功能集成和多维度耦合发展的核心范式。这个3D框架有助于明确ALCM/Ss研究的整体背景，揭示不同系统之间的内在关系，并为后续部分的分类、机制分析和未来发展趋势的讨论提供了理论基础和逻辑支撑。
部分摘录
典型的ALCM/Ss
根据上述3D坐标框架（图3），ALCM/Ss可以分为三种典型形式：整体层状复合材料、模块化层状复合结构和基于涂层的多层系统。这些系统都体现了“层状构造-协同优化”的核心设计理念，但在结构配置和功能实现方面表现出不同的特性。
ALCM/Ss的扩展形式
除了典型的ALCM/Ss外，航空领域还出现了各种具有“层状结构逻辑”的扩展形式，如双梯度材料、3D纺织复合材料、层间自修复材料、仿生层压复合材料、多功能夹层结构和复合涂层系统。这些材料/结构具有创新的配置，但基本遵循“层状构造-协同”的核心概念。
层间粘结技术
制造ALCM/Ss的核心在于实现高效的层间粘结。确保界面强度和结构稳定性对于实现层状复合系统的整体组合效应和协同优化至关重要。常见的粘结技术包括热压固化、粘合剂粘结、机械紧固和表面涂层。
关键挑战
ALCM/Ss凭借层状构造的优势，具有高设计灵活性、协同增强和多功能集成能力，成为现代航空航天设备中的核心材料/结构形式。然而，层状配置引入的复杂层间相互作用也给层间粘结、层间匹配和制造过程带来了诸多挑战。发展前景
随着先进设备对材料和结构性能要求的不断提高，由于其独特的层状架构和多维度协同优势，LCM/Ss展现了广泛的应用前景和研究潜力（图22）。结论与展望
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ALCM/Ss通过层状离散化、界面调控和多尺度协同作用，实现了从材料层面到结构层面的整体性能优化。它们的核心体现了“离散集成”的先进设计理念。基于“层状构造-协同优化”的共同特征，ALCM/Ss可以根据三个维度（界面特性、耦合关系和核心输出）分为三类：
CRediT作者贡献声明
王哲峰：研究工作。童刚：指导。张汉如：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、数据整理、概念构思。蔡良亮：撰写——初稿、可视化。韩成琪：撰写——初稿、可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
