仿生层状复合材料研究概况.pdf

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1、仿生层状复合材料研究概况邵红红子仿生层状复合材料研究概况‘,“’邵红红程晓农陈光南京理工大学材料科学与工程系,南京江苏大学材料科学与工程学院,镇江摘要从仿生的角度介绍了仿生复合材料尤其是层状复合材料的设计原理、制备方法、主要研究内容和现状。指。出了仿生复合材料的应用前景和今后的发展方向关健词仿生设计层状复合材料性能,,一,,一一,一,一一飞,,引言材料科学与生物学的交叉是近年来迅速发展且具有重要记。,应用前景的材料科学前沿由于复合材料成分多样结构复】,。杂所以很难设计与制备然而自然界的生物材料几乎无一例外地都是复合材料,经过亿,已经万年的物种竞争和选择进化形成很多天然合理的结构,具有复合互

2、补、功能适应和损伤愈合等优异特性,可供材料科学工作者设计复合材料时参考。例如贝壳中的珍珠层就是由多边形氰石晶片有规律叠层排列而成川,如图所示。晶片之间是很薄的一层有机质,当受外力冲击时,表层晶片,而出现的裂纹不会扩展到其他晶片层中只是延伸到层间结合的有机质处就偏转了,见图,这样就大大增大了断裂功与断裂韧性。受贝壳层状组织具备高韧性特,点的启发仿生层状复合材料就是利用金属的高强度和树脂的高韧性的特点,通过一定的工艺将它们合成为一整体,实现优势互补,这样与单一的金属材料相比既提高了综合机械性能又减小了比重。这类轻质高性能的复合材料对汽车工、、’」。业航天航空建筑等行业有着举足轻重的意义,仿生层

3、状复合材料主要研究内容仿生层状复合材料的性能取决于铺层材料的种类、厚度图珍珠层的结构示意图及断裂形貌、。因及表面处理纤维的种类铺层方法胶粘剂残余应力等。足强度和韧性的要求,如利此该类复合材料如下几方面为目前研究的主要内容用仿骨的哑铃型增强体或仿树根·,「卜,。〕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预浸料层的研究及制备,。预浸料层即纤维树脂层。递应力而对界面情况不提出特殊的要求其中纤维形态方面这方面的研究主要包含纤维和、、。,的研究主要有下列儿种树脂的界面设计纤维的种类形状等一般情况下复合材料界面强结合可实现应力的理想传递,从而提高材料的强度,但仿骨哑铃型碳化硅晶须是由直杆状晶

4、须和念珠状小球组,,其生成机理,使其韧性降低弱结合可阻止裂纹扩展而改善韧性但不利于成为首先生成平直的晶须反应式如下。应力传递仿生界面设计就是通过改变纤维的形态来同时满人厂月、十一材料导报年月第卷第期。。。然后在平直的晶须上生成物质物质不后一种界面也会脱粘因此冲击韧性大幅度提高此外需说,。,明的是,采,断沉积长大最终形成了念珠状小球微区衍射表明小球是用螺旋纤维作为复合增强相时由于纤维方向与外,。加应力方向不平行,非晶态的生成于晶须的层错位置用相同质量分数平直复合材料弯曲强度会降低左右但晶须和仿生碳化硅晶须增强的薄板及空白试样做考虑到大幅度提高了断裂韧性还是值得的。·对比,实验结果见表。结果表

5、明,以晶须为增强体可以提高预浸料层与异质材料的叠层粘接的强度,而且仿生晶须还可以提高的塑性。仿生层状复合材料就是由异质材料薄板和纤维树脂预浸料交替铺层,经加热固化而制成的一种新型复合材料。目前,表和晶须增强的拉伸性能所制备的复合层状材料类型主要有以下几种。样品拉伸强度伸长率’一’‘〕片·一预浸料层与铝合金胶接层板平直晶须增强片·纤维增强铝合金胶接层板的典型产品是芳纶纤维铝合金胶接层板和玻璃纤维铝合金胶接层仿生晶须增强片板。通过改变纤维种类还制备出了、一、。、分形树状氧化锌晶须形似草根,又像麦芒,且制备收得量等研究内容主要包含树脂胶粘剂的种、、明显高于哑铃型碳化硅晶须。它是将锌粉在水中研磨,

6、然后沉类性质含量对复合层板力学性能尤其是层间剥离性能和缺淀、烘干,经灼烧而制成。锌粉粒径越小产出率越高,所得晶须口敏感性能的影响铝合金表面预处理对结合性能的影响纤,。,维的预应力和层板的预变形对复合层板力学性能的影响因形态越好此外最好以分子筛处理在高温经气一液一固反,应,先形成核,长大而成粗晶须,再进一步长大,经过晶须尖端为铝合金的弹性模量与预浸料层的相差较大复合层板在拉,在凝滴消失后,伸疲劳破坏中所受的应力要比相同条件下的单一铝合金板的凝聚液滴的过程晶须将进一步长大成为四脚,,晶须形,如图所示。分形树状晶须设计来自模仿土壤中的树大得多中国科学院金属研究所周本镰等研究纤维树脂铝,正如为了加

7、固河岸和堤岸而载树、。研究合金复合层板后得出结论对复合层板进行预拉伸变形处理根和草根种草一样表明,分形树型纤维拔出的力和能量随分叉角变大而增高。由可以改善其疲劳性能在复合层板固化过程中给纤维施加预、。,拉伸应力能提高其屈服强度弹性极限及断裂强度此外还有此可推知以这种类型的纤维增强的复合材料比平直纤维增。强的复合材料的强度和断裂韧性都高。纤维金属层板疲劳寿命预测的研究的突,,出特点是疲劳性能好减重效果明显制造成本相对较低,