仿生复合材料

仿生复合材料材料研究的难题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贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑性变形，具有优异的高韧性。其主要原因是由于裂纹偏转、纤维（晶片）拔出以及有机基质桥接等各种韧化机制协同作用的结果。而这些韧化机制又与珍珠层的特殊组成、结构密切相关。贝壳是的强、韧的最佳配合,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。•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。悉尼奥运会游泳比赛中，澳大利亚选手伊恩·索普穿黑色连体紧身泳装，宛如碧波中前进的鲨鱼，劈波斩浪，一举夺得3枚金牌，而他身穿的鲨鱼皮泳衣也从此名震泳界。北极熊的“卫兵”——毛发，粗糙的外层保护底层细软绒毛免受恶劣自然环境破坏。虽然看上去是白色的，但它们实际上是透明的，每一根毛发都拥有中空结构，能够起到极好的保温隔热作用。壁虎胶带•电镜显示,壁虎脚上有密集的刚毛,1mm2上约有5000根长度为30～130m的刚毛,每只脚上就有近50万根刚毛,并且每根刚毛又有400～1000根直径为0.2～0.5m的细分叉,因此壁虎与附着物体有极大数目的接触点,总的范德华力相当大,足以支持壁虎的全身重量。15生物材料的特征•最小能量判据-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）•优化的性能（功能）-手性-液晶（取向）-对刺激的响应性•生物循环圈-起始材料（C,H,O,Si）简单-可修复，可再生16生物材料的结构特征•分级结构（头发，木）•纳米结构（荷叶，蝴蝶）•膜结构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。生物材料复合功能适应性创伤愈合生物材料的特性19•原理-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•结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结构，优化的结构等）•功能（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20•荷叶效应•蝴蝶颜色•叶绿素的光合作用•生物膜结构与功能（植物细胞壁，类脂）•腱，头发和木的分级结构•骨和昆虫壳（皮）的纤维复合材料结构•贝壳韧性（薄壳结构）•蛛丝强度•蜂窝结构的稳定性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，不规则的外形，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。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5一、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效应二、分形结构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。分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应•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•结构优点：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。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。•四、仿生愈合与自愈合抗氧化四、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。叠层复合材料叠层复合材料性质叠层复合材料珍珠层39增韧机理：有机基体纤维化的作用40增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构（稳定性好）41珍珠：砖墙结构和蜂窝结构•复合材料的仿生设计方法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。3.微观晶体结构仿生的应用•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。•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•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）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.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.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。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。仿生复合材料的应用•人造骨骼•叠层状陶瓷、纤维增强铝合金胶结层板、钢板叠层复合材料•薄层陶瓷材料•水泥781.塑料涂层(学习对象：鲨鱼)•细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多高，他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上。事实上，美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁——长达一亿多年。•与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼·布伦南带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。•一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌的涂层材料。十大仿生技术792.音波手杖(学习对象：蝙蝠)•这听上去就像一个糟糕玩笑的开头：一位大脑专家、一位生物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发生在英国利兹大学，几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手杖(Ultracane)的问世：这是一种盲人用的手杖，在靠近物体时会振动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样的感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波脉冲，并等待它们返回。•当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表明附近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不仅可以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶的事物，比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正试图利用同样的技术，开发出适销对路的产品。803.新干线列车(学习对象：翠鸟)•日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合每小时193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工