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1、第八章 仿生复合材料,主要内容：,8.1 材料仿生概念的提出,生物材料,20世纪80年代，生物自然复合材料及其仿生的研究在国际上引起极大重视，并取得一系列的研究成果。尤其以下为代表：,仿生复合材料,材料仿生的探索是从分析复合材料中一些疑难问题开始的。这些疑难问题可以归纳为如下几点：,连续纤维的脆性和界面设计的困难 纤维易由基体拔出导致增强失效 晶须的长径比不易选择 寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到困难 需求复合材料损伤性能的恢复方法和内部裂纹的愈合方法,生物材料最显著的特点是具有自我调节功能，再者具有一些自适应和自愈合能力，而研究的重要课题如下：,例如断骨的自愈合,8.2 复合材料的仿生 设计
2、和制备,11,分类,结构仿生,功能仿生,材料仿生,力学仿生,通过研究生物肌体的构造，建造类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近。,是使人造的机械能够部分地实现诸如思维、感知、运动和操作等高级动物功能的仿生技术。功能仿生必须以结构仿生为基础，在智能机器人的研究中具有重大意义。,12,分类,结构仿生,功能仿生,材料仿生,力学仿生,指模拟生物的各种特点或特性而进行各种材料开发的仿生技术。它的研究内容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考虑材料的设计与制作。,主要研究人体结构与精细结构的静力学性质，以及人体各个组成部分在体内相对运动和人体运动的动力学性质，从生
3、物力学角度为疾病的预防、诊断和治疗及人工器官、医疗康复器械的设计与研制提供科学根据。,8.2.1复合材料的仿生设计,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,,8.2.1.1 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
4、面设计很差，也能满足要求而得到优良的性能。,8.2.1.2 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。,8.2.1.3 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。 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。,8.2.1.4 仿生愈合与自愈合抗氧化,
5、生物体损伤自愈合 材料的仿生自愈：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。,8.2.1.5 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
6、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,,8.2.2复合材料的仿生设计方法分类,8.2.2.1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,8.2.2.
7、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,8.2.2.3. 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。,8.2.2.4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
8、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。,仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 用分形树状氧化锌晶须的制备 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 自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 仿生叠层复合材料的制备,8.2.3复合材料仿生制备的
9、可行性途径,8.2.3.1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PVC:PVC片的强度有所降低，但塑性明显提高,8.2.3.2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。,8.2.3.3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。,8.2.3.4碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤维螺
10、旋的制备新方法,8.2.3.5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。,8.2.3.6 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。,8.2.3.7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,8.2.4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。 1.粉体合成 2.块体材料,8.3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 ,谢谢欣赏！,