仿生复合材料ppt课件.ppt

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1、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

2、、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400～1

3、000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

4、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

5、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

6、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

7、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