第七章 仿生復(fù)合材料20160408

1、第七章第七章 仿生復(fù)合材料仿生復(fù)合材料引言 鳥巢、水立方，看到這些似渾然天成的建筑，鳥巢、水立方，看到這些似渾然天成的建筑，我們不由感慨人類的巧奪天工；飛機(jī)、潛艇，我們不由感慨人類的巧奪天工；飛機(jī)、潛艇，自由翱翔、乘風(fēng)破浪之時(shí)，我們不得不折服人自由翱翔、乘風(fēng)破浪之時(shí)，我們不得不折服人類的智慧。然而，這只是人類向自然學(xué)習(xí)的管類的智慧。然而，這只是人類向自然學(xué)習(xí)的管中窺豹而已。從花鳥魚蟲到飛禽走獸，從白鶴中窺豹而已。從花鳥魚蟲到飛禽走獸，從白鶴驚飛到魚翔淺底，大自然充滿奧秘，仿生學(xué)更驚飛到魚翔淺底，大自然充滿奧秘，仿生學(xué)更加神奇，讓我們一起走進(jìn)奇異的仿生世界加神奇，讓我們一起走進(jìn)奇異的仿生世界39

2、仿生材料產(chǎn)生的背景仿生材料產(chǎn)生的背景1奇妙的生物材料奇妙的生物材料2仿生材料與仿生學(xué)仿生材料與仿生學(xué)仿生仿生復(fù)合材料的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)4當(dāng)今材料學(xué)研究領(lǐng)域所面臨的問題纖維易由基體纖維易由基體拔出而導(dǎo)致增拔出而導(dǎo)致增強(qiáng)失效強(qiáng)失效纖維的脆性和纖維的脆性和界面設(shè)計(jì)的困難界面設(shè)計(jì)的困難尋求陶瓷基復(fù)尋求陶瓷基復(fù)合材料增韌方合材料增韌方法時(shí)遇到困難法時(shí)遇到困難內(nèi)部裂紋的愈合方法內(nèi)部裂紋的愈合方法晶須長(zhǎng)徑比晶須長(zhǎng)徑比不易選擇不易選擇尋找復(fù)合材料損傷尋找復(fù)合材料損傷性能的恢復(fù)方法性能的恢復(fù)方法Problem優(yōu)異的高韌性，其主要原因優(yōu)異的高韌性，其主要原因是由于裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維（晶是由于裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維（晶片）拔

3、出以及有機(jī)基質(zhì)橋接片）拔出以及有機(jī)基質(zhì)橋接等各種韌化機(jī)制協(xié)同作用的等各種韌化機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。而這些韌化機(jī)制又與結(jié)果。而這些韌化機(jī)制又與珍珠層的特殊組成、結(jié)構(gòu)密珍珠層的特殊組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。切相關(guān)。貝殼是的強(qiáng)、韌的最佳配合貝殼是的強(qiáng)、韌的最佳配合, ,它又被稱為摔不壞的陶瓷。它又被稱為摔不壞的陶瓷。竹材表層的高強(qiáng)和高韌主要是由于竹纖維優(yōu)越性能所致。空心柱、纖維螺旋分布、多層結(jié)構(gòu) ；層間夾角避免物理幾何的突變，改善相鄰層間結(jié)合；增加外層厚度，降低少量正向剛度，切向剛度大幅度提高。北極熊的北極熊的“衛(wèi)兵衛(wèi)兵”-毛發(fā)，粗糙的外層毛發(fā)，粗糙的外層保護(hù)底層細(xì)軟絨毛保護(hù)底層細(xì)軟絨毛免受惡劣自然環(huán)境免受

4、惡劣自然環(huán)境破壞。雖然看上去破壞。雖然看上去是白色的，但它們是白色的，但它們實(shí)際上是透明的，實(shí)際上是透明的，每一根毛發(fā)都擁有每一根毛發(fā)都擁有中空結(jié)構(gòu)，能夠起中空結(jié)構(gòu)，能夠起到極好的保溫隔熱到極好的保溫隔熱作用。作用。 壁虎膠帶壁虎膠帶23 - 化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在低（室）溫 - 氫鍵, 親水/疏水相互作用 - 分級(jí)結(jié)構(gòu)（分子組裝） - 手性 - 液晶（取向） - 對(duì)刺激的響應(yīng)性 - 起始材料（C, H, O, Si）簡(jiǎn)單 - 可修復(fù)，可再生24 分級(jí)結(jié)構(gòu)（頭發(fā)，木） 納米結(jié)構(gòu)（荷葉，蝴蝶） 膜結(jié)構(gòu)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種特點(diǎn)或特各種特點(diǎn)或特性而開發(fā)的材性而開發(fā)的材料。

5、料。仿生材料與仿生材料與仿生材料學(xué)仿生材料學(xué)仿生材料學(xué)仿生材料學(xué)以闡明生物體的材以闡明生物體的材料構(gòu)造與形成過程料構(gòu)造與形成過程為目標(biāo)為目標(biāo),用生物材料用生物材料的觀點(diǎn)來思考人工的觀點(diǎn)來思考人工材料材料,從生物功能的從生物功能的角度來考慮材料的角度來考慮材料的設(shè)計(jì)與制作。設(shè)計(jì)與制作。生物材料的特性29-向生物學(xué)習(xí)，模仿或取得啟示，仿造具有生物結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和功能的新學(xué)科。仿生是方法（可降解的肽鍵，氫鍵，自組裝結(jié)構(gòu)，分級(jí)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)等）（催化，傳輸過程，分子識(shí)別等）從分子水平研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)效關(guān)系，研發(fā)類似或優(yōu)于生物材料的新材料。30復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)和制備復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)和制備特定

6、的，特定的，不規(guī)則不規(guī)則的外形的外形力學(xué)性能力學(xué)性能的方向性的方向性截面宏觀截面宏觀非均質(zhì)非均質(zhì)顯微組元顯微組元具有復(fù)雜具有復(fù)雜的、多層的、多層次的精細(xì)次的精細(xì)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料最差界面的仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料最差界面的仿生設(shè)計(jì)1分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌效應(yīng)分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌效應(yīng)2仿生螺旋的增韌作用仿生螺旋的增韌作用仿生愈合與自愈合抗氧化仿生愈合與自愈合抗氧化4仿生疊層復(fù)合材料的研究仿生疊層復(fù)合材料的研究5一、復(fù)合材料最差界面的仿生設(shè)一、復(fù)合材料最差界面的仿生設(shè)計(jì)計(jì)復(fù)合材料的界面強(qiáng)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)力的理想傳遞，從而提高材料強(qiáng)度，但降低韌性。弱結(jié)合與

7、之相反。最佳界面結(jié)合狀態(tài)不穩(wěn)定，在載荷作用下會(huì)偏離最佳點(diǎn)而變壞。仿生界面設(shè)計(jì)采用仿骨的啞鈴型增強(qiáng)體和仿樹根的分形樹型增強(qiáng)體，通過基體和增大了的端頭之間的壓縮傳遞應(yīng)力而對(duì)界面狀態(tài)不提出特殊的要求。應(yīng)力傳遞對(duì)界面狀態(tài)不敏感，即使界面設(shè)計(jì)很差，也能滿足要求而得到優(yōu)良的性能。二、分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌二、分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌效應(yīng)效應(yīng)分形樹結(jié)構(gòu)纖維模型模仿的是土壤中的草根和樹根。實(shí)驗(yàn)研究：纖維拔出的力和能量隨分叉角變大而增高。三、仿生螺旋的增韌作用三、仿生螺旋的增韌作用 竹材表層的高強(qiáng)和高韌主要是由于竹纖維優(yōu)越性能所致。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 空心柱、纖維螺旋分布、多層結(jié)構(gòu) ；層間夾角避免物理幾

8、何的突變，改善相鄰層間結(jié)合；增加外層厚度，降低少量正向剛度，切向剛度大幅度提高。四、仿生愈合與自愈合抗氧化陶瓷/碳復(fù)合材料的自愈合抗氧化 多層涂層、梯度涂層雖然可以做到消除熱應(yīng)力引起的裂紋，但涂層受到外力損傷，容易失去抗氧化的功能。 陶瓷/碳復(fù)合材料處于高溫氧化性環(huán)境，表面首先碳化，形成陶瓷顆粒組成的脫碳層。 脫碳層的陶瓷顆粒氧化增大體積或熔融浸潤(rùn)整個(gè)材料表面，氧氣的擴(kuò)散系數(shù)降低。五、 仿生疊層復(fù)合材料研究 疊層結(jié)構(gòu)在斷裂過程中的作用： a：對(duì)裂紋的斷裂起到偏轉(zhuǎn)作用； b：裂紋的頻繁偏轉(zhuǎn)延長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展路徑； c：導(dǎo)致裂紋從應(yīng)力狀態(tài)有利方向轉(zhuǎn)為不利方向； d：有機(jī)質(zhì)發(fā)生塑性變形，降低裂紋尖端的

9、應(yīng)力強(qiáng) 度因子，增大了裂紋的擴(kuò)展阻力。疊層復(fù)合材料疊層復(fù)合材料珍珠層4647增韌機(jī)理：磚墻結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)（穩(wěn)定性好）48珍珠：磚墻結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)方法1界面宏觀擬界面宏觀擬態(tài)仿生設(shè)計(jì)態(tài)仿生設(shè)計(jì)2分子尺度的分子尺度的化學(xué)仿生化學(xué)仿生3微觀晶體結(jié)微觀晶體結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)的仿生4制造工藝仿制造工藝仿生生1. 界面宏觀擬態(tài)仿生設(shè)計(jì)界面宏觀擬態(tài)仿生設(shè)計(jì) 復(fù)合材料界面的作用：是增強(qiáng)物和基體連接的橋梁，同時(shí)也是應(yīng)力及其它信息的傳遞者，界面的 性質(zhì)直接影響著復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。 生物材料體現(xiàn)出優(yōu)良的載荷傳遞能力。 纖維端部形成啞鈴狀的膨脹端來模仿動(dòng)物骨的構(gòu)造，如啞鈴狀的碳化硅晶須，延展性明顯提

10、高。 分形結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，強(qiáng)度和韌性比普通纖維高50%。 仿雙螺旋韌皮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 擬態(tài)2. 分子尺度的化學(xué)仿生 復(fù)合相界面的化學(xué)仿生和復(fù)合材料單體結(jié)構(gòu)化學(xué)仿生。 a界面化學(xué)鍵仿生 b單體化學(xué)分子結(jié)構(gòu)仿生骨替代材料的化學(xué)仿生3. 微觀晶體結(jié)構(gòu)仿生 與分子尺度相比，晶體尺度的微結(jié)構(gòu)仿生可以拋開物質(zhì)構(gòu)成成分的限制實(shí)現(xiàn)材料組分的微觀仿生復(fù)合。 珍珠由95%文石單晶與5%蛋白質(zhì)多聚糖基體相互交替疊層形成，珍珠硬度為組成相的兩倍，韌性為組成相的1000倍。 珍珠的疊層微結(jié)構(gòu)存在三種增韌機(jī)理：裂紋變形、纖維拔出、有機(jī)基體的橋聯(lián)作用。在樹脂多層復(fù)合材料中，先加入晶須，用磁場(chǎng)將晶須定位，晶須在層

11、間形成橋聯(lián)。5層0.38mm厚的三氧化二鋁和4層0.18mm厚的纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂條交替疊層而成。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明，其斷裂功比單體三氧化二鋁提高了80倍。模仿珍珠微觀增韌結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于陶瓷改性研究已取得很大進(jìn)展。4.制造工藝仿生制造工藝仿生 生物系統(tǒng)制造的非有機(jī)復(fù)合材料通過自身體液的礦化作用生成。 人造復(fù)合材料是通過組成相的混合物在高溫下進(jìn)行熱處理 。 磷灰石磷灰石-金屬基復(fù)合材料的制備金屬基復(fù)合材料的制備仿生工藝仿生工藝：a.在生物環(huán)境下，提供能誘導(dǎo)磷灰石形成的表層b.模擬配置生物體液c.將商用Ti及其合金置于60，用一定濃度的氫氧化鈉溶液進(jìn)行24小時(shí)表面活化處理，在600 高溫下進(jìn)行1h熱處理

12、，浸入生物體液。d.X射線與紅外光譜測(cè)定表明，其無(wú)序的鈦酸鈉表面覆蓋有狀如薄片、含碳酸鹽的類似骨骼的磷灰石晶體。仿生方法評(píng)述 復(fù)合材料仿生的四類方法：宏觀擬態(tài)仿生、微觀晶體尺度仿生、分子尺度化學(xué)仿生、工藝仿生。 仿生方法是先弄清楚生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)然后模仿，以達(dá)到性能相似的目的。復(fù)合材料仿生制備的可行性途徑 1）仿骨啞鈴狀碳化硅晶須的制備和增塑效應(yīng) 2）用氣相生長(zhǎng)法制備樹根狀仿生碳纖維 3）分形樹狀氧化鋅晶須的制備 4）碳纖維螺旋束的增韌效應(yīng)和反向非對(duì)稱仿生碳纖維螺旋的制備新方法 5）自愈合抗氧化陶瓷/碳復(fù)合材料的制備 6）制備內(nèi)生復(fù)合材料的熔鑄-原位反應(yīng)技術(shù) 7）仿生疊層復(fù)合材料的制備1.

13、仿骨啞鈴狀碳化硅晶須的制備和增塑效應(yīng)仿生SiC的制備 SiO+3CO-SiC+2CO2仿生SiC由直桿狀晶須和珠狀小球SiOx組成仿生SiC晶須增強(qiáng)PVCPVC片的強(qiáng)度有所降低，但塑性明顯提高2. 氣相生長(zhǎng)法制備樹根狀仿生碳纖維 以苯為碳源，鐵為催化劑，氫為載氣。將硝酸鐵噴灑在陶瓷基板上干燥，將基板加熱使硝酸鐵分解為Fe2O3,氫氣還原為鐵，在1473K使碳纖維在基板上合成。3.分形樹狀氧化鋅晶須的制備 氧化鋅晶須形似草根，麥芒 鋅粉在水中研磨，然后沉淀烘干，灼燒制成樣品。4. 碳纖維螺旋束的增韌效應(yīng)和反向非對(duì)稱仿生碳纖維螺旋的制備新方法化學(xué)仿生化學(xué)仿生5.自愈合抗氧化陶瓷/碳復(fù)合材料的制備碳材料的自愈合抗氧化是通過彌散在基體中的非氧化物陶瓷顆粒氧化成膜來實(shí)現(xiàn)的。選擇合適的非氧化物組分、組成及粒度，使之在氧化氣氛中能夠生成黏度適中、相互濕潤(rùn)并對(duì)氧的擴(kuò)散系數(shù)小的均勻、連續(xù)、牢固的玻璃相薄膜，是實(shí)現(xiàn)碳材料自愈合抗氧化的重要因素。氧氣通過陶瓷邊界和空隙向碳材料內(nèi)部擴(kuò)散的過程，也是碳材料實(shí)現(xiàn)自愈合