《仿生复合材料》PPT课件

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1、第八章仿生复合材料材料仿生概念的提出复合材料的仿生设计和制备仿生复合材料的运用主要内容：8.1材料仿生概念的提出仿生概念实际上古代就有，但比较系统的的现代仿生研究，是从20世纪60年代开始逐渐活跃起来的。材料仿生研究则相对较晚，20世纪90年代初出现biomimetics，模仿生物，人们理解的相对狭隘，而bio-inspired一词的提出，受生物启发的，含义更广，更贴切，渐被材料界所接受。仿生材料：受生物启发或模仿生物的结构而支出的性能优异的材料。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

2、极大重视，并取得一系列的研究成果。尤其以下为代表：1.Sarikaya等研究了珍珠贝壳的精致层合结构和力学机理，并将其用于研究陶瓷-聚合物和陶瓷-金属复合材料，结果发现其断裂韧性比按常规设计的复合材料提高了40%。2.Gordon等用复合材料柱、板和夹心材料模仿在木细胞中发现的螺旋结构做成玻璃纤维/环氧树脂仿木复合材料，结果发现其断裂韧性也大幅度提高。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

3、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：生物材料复合特性生物材料的功能适应性生物材料的的创伤愈合例如断骨的自愈合8.2复合材料的仿生设计和制备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

4、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

5、用仿生愈合与自愈合抗氧化仿生叠层复合材料的研究www.btbu.edu.cn8.2.1.1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

6、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生物体损伤自愈合材料的仿生自愈：材料得自然损

7、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

8、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。北京工商材料科学与工程学院www.btbu.edu.cn8.2.2复合材料的仿生设计方法分类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8.2.2.1界面宏观拟态仿生设计复合材料界