仿生复合材料

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
• 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。
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仿生材料
仿生材料与 仿生材料学
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。
生物材料的特性
复合
生物材料
功能适应性
创伤愈合
• 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
叠层复合材料
叠层复合材料性质
叠层复合材料珍珠层
增韧机理：有机基体纤维化的作用
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增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构 （稳定性好）
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珍珠：砖墙结构和蜂窝结构
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• 复合材料的仿生设计方法
复合材料的仿生设计方法
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3
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界面宏观拟 态仿生设计
分子尺度的 化学仿生
微观晶体结 构的仿生
制造工艺仿 生
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。
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
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。
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。
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。
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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
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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
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
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。
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～ 130m 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。
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。
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
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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
仿生复合材料
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材料研究的难题
奇妙的生物材料
仿生材料与仿生学
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复合材料的仿生设计
当今材料学研究领域所面临的问题
连续纤维的脆性和 界面设计的困难 纤维易由基体拔出 而导致增强失效
晶须长径比不易选择
Problem
寻求陶瓷基复合材料 增韧方法时遇到困难
寻找复合材料损伤 性能的恢复方法
内部裂纹的愈合方法
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。
贝壳是的强、韧的最佳配合, 它又被称为摔不坏的陶瓷。 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。
• 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
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。
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
十大仿生技术
1. 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。
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
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2. 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。
力学性能 的方向性
截面宏观 非均质
如木、竹
显微组元 具有复杂 的、多层 次的精细 结构。
复合材料的Βιβλιοθήκη Baidu生设计
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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
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仿生愈合与自愈合抗氧化
仿生叠层复合材料的研究
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。