航空航天和高速飞行器技术的快速发展对热结构材料提出了严格的要求。热结构材料必须在超过2000°C的极端环境中保持稳定的力学性能和化学惰性，同时还要具备优异的抗热冲击能力。纤维增强超高温陶瓷基复合材料（UHTCMCs）通过结合低密度、超高温稳定性和卓越的烧蚀抗性有效克服了单相陶瓷固有的脆性，具有显著优势。因此，UHTCMCs被视为极端环境中热结构的主要候选材料。

自然界中的生物材料（如螳螂虾锤、鱼鳞、龙虾腹部）拥有卓越的力学性能，其关键在于精妙的布利冈(Bouligand)结构。如图1(a)所示，该结构由多层纤维片层螺旋堆叠而成，相邻层间存在一个恒定的错位角，能有效促进裂纹偏转和扩展，耗散断裂能，实现高强度与高韧性的协同。

布利冈结构示意图

图1 (a) 四种螺旋角Csf/ZrB2-SiC复合材料的示意图；
(b) Csf/ZrB2-SiC复合材料中存在和不存在布利冈结构时裂纹偏转的示意图；
(c) Csf/ZrB2-SiC复合材料中的平面内热扩散示意图。

上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室倪德伟团队[1]设计并采用DIW技术及聚碳硅烷的前驱体浸渍热解工艺（PIP）制备了具有不同螺旋角的Csf/ZrB2-SiC布利冈结构复合材料。首先对不同螺旋角的样品进行了裂纹扩展路径的有限元模拟，以进行初步的力学评估，其次，通过弯曲强度和断裂韧性的实验，表明层间角度为30°的布利冈结构表现出最高的力学性能（图2）。此外，如图1(c)所示，30°布利冈结构提高了沿Z轴的热导率，并改善了平面内的热均匀性。这一特性对于在极端高温环境下降低表面响应温度和延长使用寿命至关重要。

力学性能测试结果

图2 (a) 不同角度Csf/ZrB2-SiC样本的有限元仿真模型；
(b) 样本的模拟裂纹偏转路径及其相应的临界失效位移；
(c) Csf/ZrB2-SiC 样品在弯曲试验中的载荷-位移曲线；
(d) 样品的断裂韧性；
(e) 不同角度样品微观截面形貌。

研究亮点：该研究将仿生布利冈结构成功应用于短切纤维增强的超高温陶瓷基复合材料中，并通过DIW技术实现了精确制造。通过"仿真-实验"相结合的方法，优化了结构的层间旋转角，发现30°是实现力学与热学性能协同增强的最佳角度，解决了传统短纤维增强陶瓷基复合材料中机械性能较差的关键限制，同时小角度旋转设计巧妙地利用了短切碳纤维本身较高的径向热导率，显著提升了面内热扩散的均匀性，为下一代高性能热结构复合材料的设计开辟了新途径。