第七章仿生复合材料20160408.

第七章仿生复合材料•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，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，仿生学更加神奇，让我们一起走进奇异的仿生世界……39仿生材料产生的背景1奇妙的生物材料2仿生材料与仿生学仿生复合材料的设计4Problem•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。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。复合生物材料的特性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特定的，不规则的外形力学性能的方向性截面宏观非均质显微组元具有复杂的、多层次的精细结构。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仿生愈合与自愈合抗氧化4仿生叠层复合材料的研究5•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•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。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。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。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：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。叠层复合材料叠层复合材料珍珠层464748珍珠：砖墙结构和蜂窝结构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。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小时表面活化处理，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.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的过程。•这一过程越短越好。6.制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术•将原材料粉末加入金属熔体中，利用粉末元素间的放热反应，在金属熔体中直接反应生成所需的增强相，可制备出一系列颗粒增强的金属复合材料。7）仿生叠层复合材料的制备•金属的选择和表面的预处理•树脂的选择•叠层材料的制备陶瓷仿生工艺•在膜中生长粒子可得到形状和尺寸都可控的粒子，且粒子周围的有机层可防止团聚。在聚合物或凝胶基体上原位形成无机粒子可制备块状陶瓷复合材料。