第八章仿生復(fù)合材料二

1、仿生復(fù)合材料層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu) 螺旋纖維結(jié)構(gòu)螺旋纖維結(jié)構(gòu) 分形樹狀纖維結(jié)構(gòu)分形樹狀纖維結(jié)構(gòu) 仿骨啞鈴狀纖維結(jié)構(gòu)仿骨啞鈴狀纖維結(jié)構(gòu) 骨替代材料的化學(xué)仿生骨替代材料的化學(xué)仿生骨替代材料必須具有細(xì)胞載體框架結(jié)構(gòu)，可控制的非均質(zhì)多微孔連通結(jié)構(gòu)以及具有結(jié)構(gòu)梯度和材料分布梯度。其中最具有代表性的是羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（-TCP和-TCP）。用磷酸鈣生物陶瓷制備Ca-P防骨的合成路線：仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的高韌性的原因仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的高韌性的原因裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋分叉裂紋分叉裂紋橋連裂紋橋連拉伸強(qiáng)度氧化鋁納米線陣列f硅油，g原油樣品樣品拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率/%PVC片25.9-

2、平直晶須增強(qiáng)PVC片50.38仿生碳化硅晶須增強(qiáng)PVC片31.535.8表 8-1 PVC和碳化硅晶須增強(qiáng)PVC（氯乙烯）的拉伸性能氧化鋅四腳晶須形貌 國(guó)內(nèi)外皆有制備螺旋狀碳纖維的報(bào)道，但制備過程均很復(fù)雜，且耗時(shí)、價(jià)高、困難。一般在用纖維束制作預(yù)浸帶之前，先將纖維束加捻，使其成螺旋狀，再按常規(guī)方法制成預(yù)浸帶。 現(xiàn)在最新方法是采用大電流脈沖定型方法，僅用1ms脈沖處理，即可將纖維定型為螺旋狀，而且可以反直。纖維材料采用PAN基T300型纖維，每束纖維單絲約3000根，單絲一般直徑為68m，根據(jù)仿竹雙螺旋模型，設(shè)計(jì)內(nèi)、外纖維分別處理后纏繞的工藝方法，對(duì)于外層纖維，采用加捻技術(shù)并經(jīng)電流脈沖處理定型，

3、對(duì)于外層螺旋纖維，利用纏繞工藝再經(jīng)一定的電流脈沖處理定型，然后把外層螺旋纖維纏繞到加捻的纖維上，這就制得了雙螺旋纖維。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1、粉體合成 脂質(zhì)體中的顆粒生長(zhǎng) 水包油或油包水醇鹽水解得到氧化物粉體 模版法形成模型腔注入煅燒2、塊體材料高韌性陶瓷材料的仿生結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)要點(diǎn)高韌性陶瓷材料的仿生結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)要點(diǎn) v材料體系的選擇和優(yōu)化材料體系的選擇和優(yōu)化 基體和界面層的選擇要考慮到基體和界面層本身的性質(zhì)基體和界面層的選擇要考慮到基體和界面層本身的性質(zhì)（如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、韌性等）、二者之（如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、韌性等）、二者之

4、間的物理、化學(xué)相容性，性能匹配性等。間的物理、化學(xué)相容性，性能匹配性等。陶瓷基體的選擇：陶瓷基體的選擇： 陶瓷基體一般選用高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在承載過程陶瓷基體一般選用高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在承載過程中可以承受較大的應(yīng)力，并具有較好的高溫力學(xué)性能，中可以承受較大的應(yīng)力，并具有較好的高溫力學(xué)性能，才能保證材料的正常使用。目前研究中采用較多的是才能保證材料的正常使用。目前研究中采用較多的是SiC、Si3N4、Al2O3和和ZrO2等為基體材料，等為基體材料， v 要選擇具有一定要選擇具有一定強(qiáng)度強(qiáng)度，尤其是高溫強(qiáng)度的材料，才能保證常，尤其是高溫強(qiáng)度的材料，才能保證常溫下的正常應(yīng)用以及高溫下材料不發(fā)生

5、太大的蠕變以至癱溫下的正常應(yīng)用以及高溫下材料不發(fā)生太大的蠕變以至癱塌塌v 界面分隔層要與結(jié)構(gòu)單元具有適中的界面分隔層要與結(jié)構(gòu)單元具有適中的結(jié)合結(jié)合，既要保證它們之，既要保證它們之間不發(fā)生反應(yīng)，可以很好地分隔結(jié)構(gòu)單元，使材料具有宏觀間不發(fā)生反應(yīng)，可以很好地分隔結(jié)構(gòu)單元，使材料具有宏觀的結(jié)構(gòu)，又要保證可以將結(jié)構(gòu)單元適當(dāng)?shù)氐慕Y(jié)構(gòu)，又要保證可以將結(jié)構(gòu)單元適當(dāng)?shù)亍罢辰诱辰印倍话l(fā)生而不發(fā)生分離。分離。v 界面層與結(jié)構(gòu)單元有合適的界面層與結(jié)構(gòu)單元有合適的熱膨脹系數(shù)差熱膨脹系數(shù)差，使得材料中的熱，使得材料中的熱應(yīng)力應(yīng)力不會(huì)造成材料的破壞。不會(huì)造成材料的破壞。v 在界面分隔材料的選擇中，處理好分隔材料與基體材

6、料的結(jié)在界面分隔材料的選擇中，處理好分隔材料與基體材料的結(jié)合狀態(tài)以及合狀態(tài)以及配比狀態(tài)配比狀態(tài)尤為重要，它將直接影響材料的宏觀結(jié)尤為重要，它將直接影響材料的宏觀結(jié)構(gòu)所起作用的程度。構(gòu)所起作用的程度。 界面分割材料的選擇原則：界面分割材料的選擇原則：v制備技術(shù)和工藝參數(shù)的確定制備技術(shù)和工藝參數(shù)的確定 根據(jù)仿生結(jié)構(gòu)陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的根據(jù)仿生結(jié)構(gòu)陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的制備工制備工藝藝（成型、涂覆、燒結(jié)等），優(yōu)化工藝參數(shù)。如纖維獨(dú)（成型、涂覆、燒結(jié)等），優(yōu)化工藝參數(shù)。如纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料可采用擠制成型的方法成型基體纖石結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料可采用擠制成型的方法成型基體纖維，而層狀結(jié)構(gòu)陶瓷可

7、采用軋膜成型或流延法成型制備維，而層狀結(jié)構(gòu)陶瓷可采用軋膜成型或流延法成型制備基體陶瓷片層。界面層的涂覆工藝、排膠和燒結(jié)工藝都基體陶瓷片層。界面層的涂覆工藝、排膠和燒結(jié)工藝都根據(jù)具體材料體系的不同而定。根據(jù)具體材料體系的不同而定。 v結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化 基體和基體和界面層界面層的強(qiáng)度、彈性模量、熱膨脹系的強(qiáng)度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、界面結(jié)合狀態(tài)等對(duì)仿生結(jié)構(gòu)陶瓷的力學(xué)性能數(shù)、界面結(jié)合狀態(tài)等對(duì)仿生結(jié)構(gòu)陶瓷的力學(xué)性能有著明顯的影響，如其有著明顯的影響，如其強(qiáng)度強(qiáng)度主要是由陶瓷基體層主要是由陶瓷基體層的強(qiáng)度決定，而高的強(qiáng)度決定，而高韌性韌性主要是由界面層對(duì)裂紋的主要是由界面層對(duì)裂紋的偏折偏折決

8、定，因而與界面層的基本性質(zhì)有關(guān)。決定，因而與界面層的基本性質(zhì)有關(guān)。 v幾何參數(shù)的優(yōu)化幾何參數(shù)的優(yōu)化 仿生結(jié)構(gòu)陶瓷主要由結(jié)構(gòu)單元和界面層組成，仿生結(jié)構(gòu)陶瓷主要由結(jié)構(gòu)單元和界面層組成，二者的幾何尺寸也明顯地影響了力學(xué)性能。幾何二者的幾何尺寸也明顯地影響了力學(xué)性能。幾何參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)單元尺寸參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)單元尺寸( (纖維直徑、層片厚纖維直徑、層片厚度等度等) )、結(jié)構(gòu)單元排列方式（如纖維排布角）、結(jié)構(gòu)單元排列方式（如纖維排布角）、層數(shù)、層厚比等。層數(shù)、層厚比等。 （1）仿竹木纖維結(jié)構(gòu)的纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料）仿竹木纖維結(jié)構(gòu)的纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料 例子：仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的制備工藝?yán)樱?/p>

9、仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的制備工藝制備工藝主要包括幾個(gè)環(huán)節(jié)：制備工藝主要包括幾個(gè)環(huán)節(jié)：v 基體纖維的成型（紡絲法、擠出成型等方法）基體纖維的成型（紡絲法、擠出成型等方法）v 界面層的涂覆（浸涂和噴涂）界面層的涂覆（浸涂和噴涂）v 纖維的排布纖維的排布v 燒結(jié)（熱壓燒結(jié)）等燒結(jié)（熱壓燒結(jié)）等原料、添加劑原料、添加劑球磨混合球磨混合干燥過篩干燥過篩軋膜練泥軋膜練泥陳陳 腐腐粘合劑粘合劑+潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑+增塑劑增塑劑基體纖維成型基體纖維成型配制界面層懸浮液配制界面層懸浮液涂層、干燥涂層、干燥排布裝模排布裝模干壓預(yù)成型干壓預(yù)成型熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷排膠排膠（2）仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的

10、層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料）仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料 制備工藝主要包括幾個(gè)環(huán)節(jié)：制備工藝主要包括幾個(gè)環(huán)節(jié)：v 基體片層的成型（軋膜成型、流延法成型、注漿成型等）基體片層的成型（軋膜成型、流延法成型、注漿成型等）v 界面層的涂覆（采用流延、涂層或絲網(wǎng)印刷等）界面層的涂覆（采用流延、涂層或絲網(wǎng)印刷等）v 片層的排布片層的排布v 燒結(jié)燒結(jié) 原料、添加劑原料、添加劑球磨混合球磨混合干燥過篩干燥過篩軋膜練泥軋膜練泥陳陳 腐腐粘合劑粘合劑+潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑+增塑劑增塑劑軋膜或流延成軋膜或流延成型薄片型薄片配制界面層懸浮液配制界面層懸浮液涂層、干燥涂層、干燥排布裝模排布裝模干壓預(yù)成型干壓預(yù)成型熱壓燒結(jié)熱

11、壓燒結(jié)層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料排膠排膠（1）顯微結(jié)構(gòu)）顯微結(jié)構(gòu)纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能 (a)(b)(c)（2）力學(xué)性能）力學(xué)性能纖維前驅(qū)體直徑(mm) 無 晶 須 (MPa) KIC(MPam1/2) 有 晶 須 (MPa) KIC(MPam1/2) 1.0 689.368 8.981.04 705.471 20.011.17 0.7 602.162 11.520.98 678.162 22.561.01 0.5 562.451 14.111.00 639.760 22.960.88 0.3 530.642 17.161.02 619.

12、847 23.950.92 60040010020002003001.0mm0.5mm0.3mmHPLoad-displacement curve Load (N) Displacement (m) 0（3）載荷）載荷-位移曲線位移曲線（1）顯微結(jié)構(gòu)）顯微結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能 （2）力學(xué)性能）力學(xué)性能Sample Secondary reinforcement Separating layer composition Forming method KIC (MPam1/2) b (MPa) 1 -Si3N4 seeds (3 wt%) _ Cold press 11.370.75 75072.17 2 SiC whiskers (20 wt%) _ Cold press 8.10.8 820.6799.7 3 -Si3N4 seeds (3 wt%) 75 wt% BN + 25 wt%Al2O3 Compact rollin