第七章 仿生复合材料20160408

1、第七章第七章 仿生复合材料仿生复合材料引言 鸟巢、水立方，看到这些似浑然天成的建筑，鸟巢、水立方，看到这些似浑然天成的建筑，我们不由感慨人类的巧夺天工；飞机、潜艇，我们不由感慨人类的巧夺天工；飞机、潜艇，自由翱翔、乘风破浪之时，我们不得不折服人自由翱翔、乘风破浪之时，我们不得不折服人类的智慧。然而，这只是人类向自然学习的管类的智慧。然而，这只是人类向自然学习的管中窥豹而已。从花鸟鱼虫到飞禽走兽，从白鹤中窥豹而已。从花鸟鱼虫到飞禽走兽，从白鹤惊飞到鱼翔浅底，大自然充满奥秘，仿生学更惊飞到鱼翔浅底，大自然充满奥秘，仿生学更加神奇，让我们一起走进奇异的仿生世界加神奇，让我们一起走进奇异的仿生世界39

2、仿生材料产生的背景仿生材料产生的背景1奇妙的生物材料奇妙的生物材料2仿生材料与仿生学仿生材料与仿生学仿生仿生复合材料的复合材料的设计设计4当今材料学研究领域所面临的问题纤维易由基体纤维易由基体拔出而导致增拔出而导致增强失效强失效纤维的脆性和纤维的脆性和界面设计的困难界面设计的困难寻求陶瓷基复寻求陶瓷基复合材料增韧方合材料增韧方法时遇到困难法时遇到困难内部裂纹的愈合方法内部裂纹的愈合方法晶须长径比晶须长径比不易选择不易选择寻找复合材料损伤寻找复合材料损伤性能的恢复方法性能的恢复方法Problem优异的高韧性，其主要原因优异的高韧性，其主要原因是由于裂纹偏转、纤维（晶是由于裂纹偏转、纤维（晶片）拔

3、出以及有机基质桥接片）拔出以及有机基质桥接等各种韧化机制协同作用的等各种韧化机制协同作用的结果。而这些韧化机制又与结果。而这些韧化机制又与珍珠层的特殊组成、结构密珍珠层的特殊组成、结构密切相关。切相关。贝壳是的强、韧的最佳配合贝壳是的强、韧的最佳配合, ,它又被称为摔不坏的陶瓷。它又被称为摔不坏的陶瓷。竹材表层的高强和高韧主要是由于竹纤维优越性能所致。空心柱、纤维螺旋分布、多层结构 ；层间夹角避免物理几何的突变，改善相邻层间结合；增加外层厚度，降低少量正向刚度，切向刚度大幅度提高。北极熊的北极熊的“卫兵卫兵”-毛发，粗糙的外层毛发，粗糙的外层保护底层细软绒毛保护底层细软绒毛免受恶劣自然环境免受

4、恶劣自然环境破坏。虽然看上去破坏。虽然看上去是白色的，但它们是白色的，但它们实际上是透明的，实际上是透明的，每一根毛发都拥有每一根毛发都拥有中空结构，能够起中空结构，能够起到极好的保温隔热到极好的保温隔热作用。作用。 壁虎胶带壁虎胶带23 - 化学反应发生在低（室）温 - 氢键, 亲水/疏水相互作用 - 分级结构（分子组装） - 手性 - 液晶（取向） - 对刺激的响应性 - 起始材料（C, H, O, Si）简单 - 可修复，可再生24 分级结构（头发，木） 纳米结构（荷叶，蝴蝶） 膜结构26仿生材料仿生材料仿生材料指模仿生物的指模仿生物的各种特点或特各种特点或特性而开发的材性而开发的材料。

5、料。仿生材料与仿生材料与仿生材料学仿生材料学仿生材料学仿生材料学以阐明生物体的材以阐明生物体的材料构造与形成过程料构造与形成过程为目标为目标,用生物材料用生物材料的观点来思考人工的观点来思考人工材料材料,从生物功能的从生物功能的角度来考虑材料的角度来考虑材料的设计与制作。设计与制作。生物材料的特性29-向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物结构、特点和功能的新学科。仿生是方法（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结构，优化的结构等）（催化，传输过程，分子识别等）从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系，研发类似或优于生物材料的新材料。30复合材料的仿生设计和制备复合材料的仿生设计和制备特定

6、的，特定的，不规则不规则的外形的外形力学性能力学性能的方向性的方向性截面宏观截面宏观非均质非均质显微组元显微组元具有复杂具有复杂的、多层的、多层次的精细次的精细结构。结构。复合材料的仿生设计复合材料的仿生设计复合材料最差界面的仿生设计复合材料最差界面的仿生设计1分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应2仿生螺旋的增韧作用仿生螺旋的增韧作用仿生愈合与自愈合抗氧化仿生愈合与自愈合抗氧化4仿生叠层复合材料的研究仿生叠层复合材料的研究5一、复合材料最差界面的仿生设一、复合材料最差界面的仿生设计计复合材料的界面强结合可以实现力的理想传递，从而提高材料强度，但降低韧性。弱结合与

7、之相反。最佳界面结合状态不稳定，在载荷作用下会偏离最佳点而变坏。仿生界面设计采用仿骨的哑铃型增强体和仿树根的分形树型增强体，通过基体和增大了的端头之间的压缩传递应力而对界面状态不提出特殊的要求。应力传递对界面状态不敏感，即使界面设计很差，也能满足要求而得到优良的性能。二、分形树状纤维和晶须的增强与增韧二、分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应效应分形树结构纤维模型模仿的是土壤中的草根和树根。实验研究：纤维拔出的力和能量随分叉角变大而增高。三、仿生螺旋的增韧作用三、仿生螺旋的增韧作用 竹材表层的高强和高韧主要是由于竹纤维优越性能所致。 结构特点： 空心柱、纤维螺旋分布、多层结构 ；层间夹角避免物理几

8、何的突变，改善相邻层间结合；增加外层厚度，降低少量正向刚度，切向刚度大幅度提高。四、仿生愈合与自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的自愈合抗氧化 多层涂层、梯度涂层虽然可以做到消除热应力引起的裂纹，但涂层受到外力损伤，容易失去抗氧化的功能。 陶瓷/碳复合材料处于高温氧化性环境，表面首先碳化，形成陶瓷颗粒组成的脱碳层。 脱碳层的陶瓷颗粒氧化增大体积或熔融浸润整个材料表面，氧气的扩散系数降低。五、 仿生叠层复合材料研究 叠层结构在断裂过程中的作用： a：对裂纹的断裂起到偏转作用； b：裂纹的频繁偏转延长了裂纹的扩展路径； c：导致裂纹从应力状态有利方向转为不利方向； d：有机质发生塑性变形，降低裂纹尖端的

9、应力强 度因子，增大了裂纹的扩展阻力。叠层复合材料叠层复合材料珍珠层4647增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构（稳定性好）48珍珠：砖墙结构和蜂窝结构复合材料的仿生设计方法1界面宏观拟界面宏观拟态仿生设计态仿生设计2分子尺度的分子尺度的化学仿生化学仿生3微观晶体结微观晶体结构的仿生构的仿生4制造工艺仿制造工艺仿生生1. 界面宏观拟态仿生设计界面宏观拟态仿生设计 复合材料界面的作用：是增强物和基体连接的桥梁，同时也是应力及其它信息的传递者，界面的 性质直接影响着复合材料的各项力学性能。 生物材料体现出优良的载荷传递能力。 纤维端部形成哑铃状的膨胀端来模仿动物骨的构造，如哑铃状的碳化硅晶须，延展性明显提

10、高。 分形结构的碳纤维增强环氧树脂，强度和韧性比普通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态2. 分子尺度的化学仿生 复合相界面的化学仿生和复合材料单体结构化学仿生。 a界面化学键仿生 b单体化学分子结构仿生骨替代材料的化学仿生3. 微观晶体结构仿生 与分子尺度相比，晶体尺度的微结构仿生可以抛开物质构成成分的限制实现材料组分的微观仿生复合。 珍珠由95%文石单晶与5%蛋白质多聚糖基体相互交替叠层形成，珍珠硬度为组成相的两倍，韧性为组成相的1000倍。 珍珠的叠层微结构存在三种增韧机理：裂纹变形、纤维拔出、有机基体的桥联作用。在树脂多层复合材料中，先加入晶须，用磁场将晶须定位，晶须在层

11、间形成桥联。5层0.38mm厚的三氧化二铝和4层0.18mm厚的纤维增强环氧树脂条交替叠层而成。三点弯曲试验表明，其断裂功比单体三氧化二铝提高了80倍。模仿珍珠微观增韧结构并应用于陶瓷改性研究已取得很大进展。4.制造工艺仿生制造工艺仿生 生物系统制造的非有机复合材料通过自身体液的矿化作用生成。 人造复合材料是通过组成相的混合物在高温下进行热处理 。 磷灰石磷灰石-金属基复合材料的制备金属基复合材料的制备仿生工艺仿生工艺：a.在生物环境下，提供能诱导磷灰石形成的表层b.模拟配置生物体液c.将商用Ti及其合金置于60，用一定浓度的氢氧化钠溶液进行24小时表面活化处理，在600 高温下进行1h热处理

12、，浸入生物体液。d.X射线与红外光谱测定表明，其无序的钛酸钠表面覆盖有状如薄片、含碳酸盐的类似骨骼的磷灰石晶体。仿生方法评述 复合材料仿生的四类方法：宏观拟态仿生、微观晶体尺度仿生、分子尺度化学仿生、工艺仿生。 仿生方法是先弄清楚生物复合材料的结构然后模仿，以达到性能相似的目的。复合材料仿生制备的可行性途径 1）仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 2）用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 3）分形树状氧化锌晶须的制备 4）碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤维螺旋的制备新方法 5）自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 6）制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 7）仿生叠层复合材料的制备1.

13、仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应仿生SiC的制备 SiO+3CO-SiC+2CO2仿生SiC由直杆状晶须和珠状小球SiOx组成仿生SiC晶须增强PVCPVC片的强度有所降低，但塑性明显提高2. 气相生长法制备树根状仿生碳纤维 以苯为碳源，铁为催化剂，氢为载气。将硝酸铁喷洒在陶瓷基板上干燥，将基板加热使硝酸铁分解为Fe2O3,氢气还原为铁，在1473K使碳纤维在基板上合成。3.分形树状氧化锌晶须的制备 氧化锌晶须形似草根，麦芒 锌粉在水中研磨，然后沉淀烘干，灼烧制成样品。4. 碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤维螺旋的制备新方法化学仿生化学仿生5.自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备碳材料的自愈合抗氧化是通过弥散在基体中的非氧化物陶瓷颗粒氧化成膜来实现的。选择合适的非氧化物组分、组成及粒度，使之在氧化气氛中能够生成黏度适中、相互湿润并对氧的扩散系数小的均匀、连续、牢固的玻璃相薄膜，是实现碳材料自愈合抗氧化的重要因素。氧气通过陶瓷边界和空隙向碳材料内部扩散的过程，也是碳材料实现自愈合