6.【复合材料】仿生复合材料

复合材料仿生复合材料Contents材料研究的难题1奇妙的生物材料2仿生材料与仿生学3复合材料的仿生设计4北京工商材料科学与工程学院当今材料学研究领域所面临的问题纤维易由基体拔出而导致增强失效连续纤维的脆性和界面设计的困难寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到困难内部裂纹的愈合方法晶须长径比不易选择寻找复合材料损伤性能的恢复方法Problem北京工商材料科学与工程学院自然界的生物材料复合是自然界的根本规律天然材料是最完美的材料，

人的心脏，75*60分*24小时*365天*80年=3，153，600，000跳/一生

该完美的特性就来源于复合与自修复北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院仿生材料仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料与仿生材料学仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。北京工商材料科学与工程学院生物材料复合功能适应性创伤愈合生物材料的特性北京工商材料科学与工程学院神奇的生物材料生物是一个神奇的工程师，它举手捉足之间就能把一些极其普通的元素组合成优异性能的精妙结构的科学艺术作品，其神妙足以令当世最杰出的材料科学家汗颜。正是生物的这种魔术般的材料制备艺术激发了科学家的灵感，把材料科学引入到一个仿生的新世界。北京工商材料科学与工程学院复合材料的仿生设计和制备外形力学性能截面结构特定的，不规那么的外形，如：骨骼力学性能的方向性如木、竹截面宏观非均质显微组元具有复杂的、多层次的精细结构。北京工商材料科学与工程学院水黾腿的扫描电镜SEM照片，(b)无数细长微刚毛，20μm，(c)单根刚毛上的精细螺旋状的纳米凹槽结构，200

nm北京工商材料科学与工程学院荷叶自清洁效应来源于荷叶外表有一层聚合物基团，该基团的尺寸大小介于纳米范围内，也即在纳米数量级形成一个十分粗糙的外表针状构造，从而使污水或脏物很难在这样的外表有立足之地。北京工商材料科学与工程学院复合材料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2仿生螺旋的增韧作用3仿生愈合与自愈合抗氧化4仿生叠层复合材料的研究5北京工商材料科学与工程学院复合材料最差界面的仿生设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。弱结合与之相反。最正确界面结合状态不稳定，在载荷作用下会偏离最正确点而变坏。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。北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应北京工商材料科学与工程学院二、分形结构北京工商材料科学与工程学院分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应

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。北京工商材料科学与工程学院分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应北京工商材料科学与工程学院三、仿生螺旋的增韧作用北京工商材料科学与工程学院三、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、多层结构结构优点：层间夹角防止物理几何的突变，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。北京工商材料科学与工程学院三、仿生螺旋的增韧作用实验证实：将玻纤采用不同夹角进行分层非对称缠绕，并以环氧树脂黏结制样，进行压缩实验，强度降低38%，压缩变形增加200%以上。北京工商材料科学与工程学院四、仿生愈合与自愈合抗氧化北京工商材料科学与工程学院四、仿生愈合与自愈合抗氧化生物体损伤自愈合材料的仿生自愈合材料得自然损伤-在空气中的氧化某些材料通过氧化后形成致密的氧化物保护膜北京工商材料科学与工程学院陶瓷/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，外表首先碳化，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外表，氧气的扩散系数降低。北京工商材料科学与工程学院五、

仿生叠层复合材料研究北京工商材料科学与工程学院五、

仿生叠层复合材料研究天然复合材料很好的强度和韧性与其特殊的微观结构关系密切。叠层结构是许多材料高断裂韧性的根源。叠层结构在断裂过程中的变化：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，降低裂纹尖端的应力强度因子，增大了裂纹的扩展阻力。北京工商材料科学与工程学院叠层复合材料北京工商材料科学与工程学院叠层复合材料性质北京工商材料科学与工程学院叠层复合材料珍珠层北京工商材料科学与工程学院Schematicdiagramofnacreous〔珍珠质〕structure.Theorganicthinfilmindicatedbetweenthelayersalsocoversallothersurfacesofeachstructuralunit.G.Mayer,Science,2005,310,1144北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院小结复合材料最差界面的仿生设计分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应仿生螺旋的增韧作用仿生愈合与自愈合抗氧化仿生叠层复合材料的研究北京工商材料科学与工程学院复合材料的仿生设计方法北京工商材料科学与工程学院复合材料的仿生设计方法1界面宏观拟态仿生设计2分子尺度的化学仿生3微观晶体结构的仿生4制造工艺仿生北京工商材料科学与工程学院1.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。生物材料表达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北京工商材料科学与工程学院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北京工商材料科学与工程学院骨替代材料的化学仿生北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院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。北京工商材料科学与工程学院3.微观晶体结构仿生的应用在树脂多层复合材料中，先参加晶须，用磁场将晶须定位，晶须在层间形成桥联。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。三点弯曲试验说明，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。北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院4.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-金属基复合材料的制备仿生工艺：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小时外表活化处理，在600℃高温下进行1h热处理，浸入生物体液。d.X射线与红外光谱测定说明，其无序的钛酸钠外表覆盖有状如薄片、含碳酸盐的类似骨骼的磷灰石晶体。北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院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，以到达性能相似的目的。北京工商材料科学与工程学院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〕用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-原位反响技术7〕仿生叠层复合材料的制备北京工商材料科学与工程学院1〕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组成北京工商材料科学与工程学院仿生SiC晶须增强PVCPVC片的强度有所降低，但塑性明显提高北京工商材料科学与工程学院2.用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枯燥，将基板加热使硝酸铁分解为Fe2O3,氢气复原为铁，在1473K使碳纤维在基板上合成。北京工商材料科学与工程学院3.用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。北京工商材料科学与工程学院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

化学仿生北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院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。选择适宜的非氧化物组分、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的过程。这一过程越短越好。北京工商材料科学与工程学院6.制备内生复合材料的熔铸-原位反响技术将原材料粉末参加金属熔体中，利用粉末元素间的放热反响，在金属熔体中直接反响生成所需的增强相，可制备出一系列颗粒增强的金属复合材料。北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料科学与工程学院北京工商材料