复合材料课件第八章 仿生复合材料
合集下载
仿生复合材料
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。
复合材料的仿生设计
1
2 3
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
4
5
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。
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。
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。
复合材料PPT课件
陶瓷隔音材料
生物陶瓷
能自然降解的红陶
纳米层状无机抗菌防菌 功能鞋垫、保健袜
蜂窝陶瓷
堇青石蜂窝陶瓷外观
联想.质疑
运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富 弹性,这三种材料能满足要求吗? “神州五号”载人飞船穿过大气层时,外 壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温, 这些材料又能否经受这种考验而使飞船 安然无恙?
4.航天航空领域中的复合材料的基体和增强体分别 是什么?有什么性能?
形 形 色 色 的 复 合
你知道吗
还有哪些复合材料?
请你谈谈复合材料在社会发展 中的作用?
环保复合材料制造的组合式轻体粮仓来自小结
认识复合材料的组成和特性。 了解常见复合材料的基体和增强体,在生 产生活及航天航空领域中的应用。 认识到化学研究在人类社会的发展中起到 举足轻重的作用。
再
见
1、快乐总和宽厚的人相伴，财富总与诚信的人相伴，聪明总与高尚的人相伴，魅力总与幽默的人相伴，健康总与阔达的人相伴。 2、人生就有许多这样的奇迹，看似比登天还难的事，有时轻而易举就可以做到，其中的差别就在于非凡的信念。 3、影响我们人生的绝不仅仅是环境，其实是心态在控制个人的行动和思想。同时，心态也决定了一个人的视野和成就，甚至一生。 4、无论你觉得自己多么了不起，也永远有人比更强;无论你觉得自己多么不幸，永远有人比你更不幸。 5、也许有些路好走是条捷径，也许有些路可以让你风光无限，也许有些路安稳又有后路，可是那些路的主角，都不是我。至少我会觉得，那些路不是自己想要的。 6、在别人肆意说你的时候，问问自己，到底怕不怕，输不输的起。不必害怕，不要后退，不须犹豫，难过的时候就一个人去看看这世界。多问问自己，你是不是已经为了梦想而竭尽全力了? 7、人往往有时候为了争夺名利，有时驱车去争，有时驱马去夺，想方设法，不遗余力。压力挑战，这一切消极的东西都是我进取成功的催化剂。 8、真想干总会有办法，不想干总会有理由;面对困难，智者想尽千方百计，愚者说尽千言万语;老实人不一定可靠，但可靠的必定是老实人;时间，抓起来是黄金，抓不起来是流水。 9、成功的道路上，肯定会有失败;对于失败，我们要正确地看待和对待，不怕失败者，则必成功;怕失败者，则一无是处，会更失败。1、快乐总和宽厚的人相伴，财富总与诚信的人相伴，聪明总与高尚的人相伴，魅力总与幽默的人相伴，健康总与阔达的人相伴。 2、人生就有许多这样的奇迹，看似比登天还难的事，有时轻而易举就可以做到，其中的差别就在于非凡的信念。 3、影响我们人生的绝不仅仅是环境，其实是心态在控制个人的行动和思想。同时，心态也决定了一个人的视野和成就，甚至一生。 4、无论你觉得自己多么了不起，也永远有人比更强;无论你觉得自己多么不幸，永远有人比你更不幸。 5、也许有些路好走是条捷径，也许有些路可以让你风光无限，也许有些路安稳又有后路，可是那些路的主角，都不是我。至少我会觉得，那些路不是自己想要的。 6、在别人肆意说你的时候，问问自己，到底怕不怕，输不输的起。不必害怕，不要后退，不须犹豫，难过的时候就一个人去看看这世界。多问问自己，你是不是已经为了梦想而竭尽全力了? 7、人往往有时候为了争夺名利，有时驱车去争，有时驱马去夺，想方设法，不遗余力。压力挑战，这一切消极的东西都是我进取成功的催化剂。 8、真想干总会有办法，不想干总会有理由;面对困难，智者想尽千方百计，愚者说尽千言万语;老实人不一定可靠，但可靠的必定是老实人;时间，抓起来是黄金，抓不起来是流水。14、成长是一场和自己的比赛，不要担心别人会做得比你好，你只需要每天都做得比前一天好就可以了。 15、最终你相信什么就能成为什么。因为世界上最可怕的二个词，一个叫执着，一个叫认真，认真的人改变自己，执着的人改变命运。只要在路上，就没有到不了的地方。 16、你若坚持，定会发光，时间是所向披靡的武器，它能集腋成裘，也能聚沙成塔，将人生的不可能都变成可能。 17、人生，就要活得漂亮，走得铿锵。自己不奋斗，终归是摆设。无论你是谁，宁可做拼搏的失败者 9、成功的道路上，肯定会有失败;对于失败，我们要正确地看待和对待，不怕失败者，则必成功;怕失败者，则一无是处，会更5、别着急要结果，先问自己够不够格，付出要配得上结果，工夫到位了，结果自然就出来了。 6、你没那么多观众，别那么累。做一个简单的人，踏实而务实。不沉溺幻想，更不庸人自扰。 7、别人对你好，你要争气，图日后有能力有所报答，别人对你不好，你更要争气望有朝一日，能够扬眉吐气。 8、奋斗的路上，时间总是过得很快，目前的困难和麻烦是很多，但是只要不忘初心，脚踏实地一步一步的朝着目标前进，最后的结局交给时间来定夺。 9、运气是努力的附属品。没有经过实力的原始积累，给你运气你也抓不住。上天给予每个人的都一样，但每个人的准备却不一样。不要羡慕那些总能撞大运的人，你必须很努力，才能遇上好运气。 10、你的假装努力，欺骗的只有你自己，永远不要用战术上的勤奋，来掩饰战略上的懒惰。 11、时间只是过客，自己才是主人，人生的路无需苛求，只要你迈步，路就在你的脚下延伸，只要你扬帆，便会有八面来风，启程了，人的生命才真正开始。 12、不管做什么都不要急于回报，因为播种和收获不在同一个季节，中间隔着的一段时间，我们叫它为坚持。失败。11、学会学习的人，是非常幸福的人。——米南德 12、你们要学习思考，然后再来写作。——布瓦罗 13、在寻求真理的长河中，唯有学习，不断地学习，勤奋地学习，有创造性地学习，才能越重山跨峻岭。——华罗庚 14、许多年轻人在学习音乐时学会了爱。——莱杰 15、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基 16、我们一定要给自己提出这样的任务：第一，学习，第二是学习，第三还是学习。——列宁 17、学习的敌人是自己的满足，要认真学习一点东西，必须从不自满开始。对自己，“学而不厌”，对人家，“诲人不倦”，我们应取这种态度。——毛泽东 18、只要愿意学习，就一定能够学会。——列宁 19、如果学生在学校里学习的结果是使自己什么也不会创造，那他的一生永远是模仿和抄袭。——列夫· 托尔斯泰 20、对所学知识内容的兴趣可能成为学习动机。——赞科夫 21、游手好闲地学习，并不比学习游手好闲好。——约翰· 贝勒斯 22、读史使人明智，读诗使人灵秀，数学使人周密，自然哲学使人精邃，伦理学使人庄重，逻辑学使人善辩。——培根 23、我们在我们的劳动过程中学习思考，劳动的结果，我们认识了世界的奥妙，于是我们就真正来改变生活了。——高尔基 24、我们要振作精神，下苦功学习。下苦功，三个字，一个叫下，一个叫苦，一个叫功，一定要振作精神，下苦功。——毛泽东 25、我学习了一生，现在我还在学习，而将来，只要我还有精力，我还要学习下去。——别林斯基、学习外语并不难，学习外语就像交朋友一样，朋友是越交越熟的，天天见面，朋友之间就亲密无间了。——高士其 2、对世界上的一切学问与知识的掌握也并非难事，只要持之以恒地学习，努力掌握规律，达到熟悉的境地，就能融会贯通，运用自如了。——高士其 3、学和行本来是有联系着的，学了必须要想，想通了就要行，要在行的当中才能看出自己是否真正学到了手。否则读书虽多，只是成为一座死书库。——谢觉哉、你的假装努力，欺骗的只有你自己，永远不要用战术上的勤奋，来掩饰战略上的懒惰。 11、时间只是过客，自己才是主人，人生的路无需苛求，只要你迈步，路就在你的脚下延伸，只要你扬帆，便会有八面来风，启程了，人的生命才真正开始。 12、不管做什么都不要急于回报，因为播种和收获不在同一个季节，中间隔着的一段时间，我们叫它为坚持。 13、你想过普通的生活，就会遇到普通的挫折。你想过最好的生活，就一定会遇上最强的伤害。这个世界很公平，想要最好，就一定会给你最痛。
复合材料PPT课件
前景
随着科技的不断进步和环保意识的提高，未来复合材料将 更加注重环保、可再生、高性能等方向的发展，同时其在 智能制造、新能源等领域的应用也将不断拓展。
02
CATALOGUE
复合材料的组成与结构
基体材料
01
02
03
定义
基体材料是复合材料中连 续相，起粘结、保护增强 材料并传递载荷到增强材 料上的作用。
生物相容性
某些复合材料具有良好的生物相容性 ，可用于医疗器械、人体植入物等领 域。
05
CATALOGUE
复合材料的应用实例
航空航天领域应用
飞机结构
复合材料用于制造飞机机翼、机身和尾翼等结构部件，具 有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，可提高飞行器的性 能和燃油经济性。
航天器结构
复合材料在航天器结构中也有广泛应用，如卫星、火箭和 空间站等，其轻质高强的特性有助于减轻发射重量和提高 有效载荷。
美观、舒适、环保等特点。
03
动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲 劳等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装 等特点。
某些复合材料在受到冲击时能 够吸收大量能量，表现出良好
的抗冲击性能。
物理性能
低密度
相对于金属材料，复合材料通常具有较低的 密度，有利于实现轻量化设计。
优异的电绝缘性
某些复合材料具有极佳的电绝缘性能，适用 于电气和电子设备。
随着科技的不断进步和环保意识的提高，未来复合材料将 更加注重环保、可再生、高性能等方向的发展，同时其在 智能制造、新能源等领域的应用也将不断拓展。
02
CATALOGUE
复合材料的组成与结构
基体材料
01
02
03
定义
基体材料是复合材料中连 续相，起粘结、保护增强 材料并传递载荷到增强材 料上的作用。
生物相容性
某些复合材料具有良好的生物相容性 ，可用于医疗器械、人体植入物等领 域。
05
CATALOGUE
复合材料的应用实例
航空航天领域应用
飞机结构
复合材料用于制造飞机机翼、机身和尾翼等结构部件，具 有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，可提高飞行器的性 能和燃油经济性。
航天器结构
复合材料在航天器结构中也有广泛应用，如卫星、火箭和 空间站等，其轻质高强的特性有助于减轻发射重量和提高 有效载荷。
美观、舒适、环保等特点。
03
动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲 劳等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装 等特点。
某些复合材料在受到冲击时能 够吸收大量能量，表现出良好
的抗冲击性能。
物理性能
低密度
相对于金属材料，复合材料通常具有较低的 密度，有利于实现轻量化设计。
优异的电绝缘性
某些复合材料具有极佳的电绝缘性能，适用 于电气和电子设备。
第8章 仿生复合材料PPT课件
You Know, The More Powerful You Will Be
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
13
仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 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。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
13
仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 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。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
复合材料PPT课件
2021/6/16
6
钢筋混凝土
• 是建筑的基本材料。
• 钢筋混凝土大体上是混凝土（沙砾、碎石、 水泥混合而成）嵌进钢筋骨架而构成的。
2021/6/16
7
玻璃纤维强化塑料
• 玻璃又硬又脆，一敲即碎，在其中嵌入薄
金属箔可以得到强化玻璃。有时候玻璃纤
维也嵌在塑料里，称为玻璃纤维强化塑料。
快艇艇身就是用这种材料制成的。
2021/6/16
3
什么是塑钢？
• 塑钢是以聚氯乙烯（PVC）树脂为主要原 料，加上一定比例的稳定剂、着色剂、填 充剂、紫外线吸收剂等，经挤出成型材， 同时为增强型材的刚性，超过一定长度的 型材空腔内需要填加钢衬（加强筋），这 样制成的材料称之为塑钢。
2021/6/16
4
三夹板
• 由薄木板胶合而成，各层的木纹（纤维） 方向互相交错，因此特别坚固，不易破裂。 常用于制造家具和装饰。
的 的目的，大大简化了衣物的清洗过程。
应
用
将纳米技术用于塑料工业，生产的纳米塑料可以代替人的 血管、骨骼，广泛用于各种医疗手术之中，有人比喻为这将 是医疗技术上的一场革命。
2021/6/16
15
2021/6/16
16
纳米材料
• 所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、 导热、导电特性等等，往往不同于该物质 在整体状态时所表现的性质。
2021/6/16
8
学习重点
• 复合材料是由多种材料结合而成的材料。 它的强度高于组成它的材料，较能满足社 会的需要。
2021/6/16
9
• 木材 • 骨头
天然复合材料
2021/6/16
10
新材料
2021/6/16
《复合材料》PPT课件
纳米绘画艺术—— 纳米中国
这是中国科学院化学所的科技人员利用 纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制 出的世界上最小的中国地图。
碳纳米球（富勒稀）
The Nobel Prize i n Chemistry 1996 for discovery of fullerenes（C60).
碳原子组成的小单元看起来和 足球一样。碳原子的活性差， 导电，非常稳定。绝佳的材料 和电性能
材料的创新：新材料的出现为产品设计提供更广阔 的前，由于其独
有的体积和表面效应，它从宏观上显示出许多奇妙 的特征。
制备纳米粒子的物理方法
1．球 磨
实施方法
2．振动 球磨
3．振动磨
4．搅拌磨
5．胶体磨
6．纳米气流粉碎 气流磨
球磨 (Milling)
新型日光温室复合材料 温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成
绿可木，生态木塑 复合材料，木塑复
合材料吸音板
复合材料（玻璃 钢）制品
采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑
碳纤维/树脂复合 材料
碳/碳复合材料
生物医学制品和体育运动
复合材料被用来预防受伤， 矫正生理机能，和帮助病人 复原。
生物医学制品和以体育运动器 材为主的碳纤维复合材料制品
• 台湾碳纤维约有3000吨/年的产能。
体育休闲用品应用
山地车
工业应用
这是一个覆盖甚广，内容甚多，也是一个发展最快， 前景最好的应用领域。
1、基础设施领域（混凝土结构加固补强）
基础设施（Infrastructure）系指建筑领域的房屋 、桥梁、隧道、涵洞、地铁及其相关的混凝土工程，其修 复、更新、加固已构成复合材料目前极重要的应用领域。
② 碳纤维增强复合材料 由碳纤维与酚醛、环氧、聚酯、聚四氧乙烯 等树脂组成的复合材料 特点：密度更低，比强度和比模量更高 具有优良的疲劳性能、耐冲击性能、自润滑 性能和耐磨、耐蚀、耐热性能
仿生复合材料
仿生材料研究进展(讲义)Research Progress of biomimetic materials 仿生学（Bionics）诞生于二十世纪60年代，是Bi(o)+(electr)onics的组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的仿生研究则由来已久。
80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文[1]，分析了部分生物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索[2-6]。
美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics)，Biomimetics意为模仿生物，着重力学结构和性质方面的仿生研究。
但人们往往狭义地理解“mimetic”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。
近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。
其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受。
通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料(Biomimetic Materials)。
这是材料科学与生命科学相结合的产物，这一结合衍生出三大研究领域：天然生物材料，生物医学材料（狭义仿生）和仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等）。
一、天然生物材料与生物医学材料天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，具有独特的结构和优异的性能。
通过天然生物材料的研究，人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料和新型工程材料。
天然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸〈己知有20种〉组成的长链，改变氨基酸的种类及排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。
蛋白质的合成决定于遗传基因，即RNA〈核糖核酸〉中每三个碱基对构成一个密码子，决定一种氨基酸[7]。
在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术”，可以改变某些碱基对的顺序和种类，以合成所需要的蛋白质，利用DNA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。
复合材料课件ppt
直升飞机——它的桨叶采用玻璃纤维或碳纤维布等不同 结构形成，具有抗疲劳性，使直升飞机在高空中保持稳 定，平行，充分发挥复合材料的结构特性。
小飞守角制作
复合材料在医疗上的应用
例如：假肢、关节、CT设备、身心保健设备、超声诊断仪 装置、磁共振诊断装置、残疾人辅助工具等
残疾人轮椅—— 它采用玻璃纤维 增强尼龙树脂， 特殊加气加压成 型，轻质高强、 造型轻便、外观 灵巧，便于残疾 人士生活自理。
E51
F51
双氰胺
DCMU 丙烯酰胺
配方1
70
20
50
7
2.8
0
配方2
70
20
50
7
2.8
2
配方3
70
20
50
配方4
70
20
50
7
2.8
5
7
2.8
8
Time/min
200
160
120
80
40
0
90 100 110 120 130
Temperature/℃
图1 四种配方的凝胶时间-温度曲线
小飞守角制作
1.
按基体材 料分类
3.
按复合材料 的性能分类
小飞守角制作
1.复合材料按基体材料分类 复合材料
聚合物基 陶瓷基 金属基
井盖
氟金云母
TPD钻头
小飞守角制作
2.复合材料按增强相形状分类
材料和层状
钛标准件
塑
料
复合材料 粒子增强
增
韧
剂
纤维增强
玻璃纤维垃圾桶
小飞守角制作
3.复合材料按性能分类
功能
复合材料课件第八章 仿生复合材料-二
300
Displacement (m)
Load-displacement curve
层状结构陶瓷复合材料的结构和性能
（1）显微结构
（2）力学性能
Sample 1 2 3 4
Secondary reinforcement -Si3N4 seeds
(3 wt%) SiC whiskers
(20 wt%) -Si3N4 seeds
11.370.75 75072.17
Cold press
Compact rolling
Compact rolling
8.10.8 820.6799.7 15.121.14 498.3722.72 28.111.00 651.4774.94
2、块体材料（自学）
1）纤维和层状陶瓷 2）聚合物—陶瓷复合材料 3）聚合物的原位矿化 4）可控矿化
❖ 制备技术和工艺参数的确定
根据仿生结构陶瓷的结构特点，选择合适的制备工 艺（成型、涂覆、烧结等），优化工艺参数。如纤维独 石结构陶瓷复合材料可采用挤制成型的方法成型基体纤 维，而层状结构陶瓷可采用轧膜成型或流延法成型制备 基体陶瓷片层。界面层的涂覆工艺、排胶和烧结工艺都 根据具体材料体系的不同而定。
仿生复合材料
层状结构
螺旋纤维结构
分形树状纤维结构
仿骨哑铃状纤维结构
骨替代材料的化学仿生
骨替代材料必须具有细胞载体框架结构，可控制的非 均质多微孔连通结构以及具有结构梯度和材料分布梯 度。其中最具有代表性的是羟基磷灰石（HA）和磷 酸三钙（α-TCP和β-TCP）。用磷酸钙生物陶瓷制备CaP防骨的合成路线：
❖ 界面分隔层要与结构单元具有适中的结合，既要保证它们之 间不发生反应，可以很好地分隔结构单元，使材料具有宏观 的结构，又要保证可以将结构单元适当地“粘接”而不发生 分离。
仿生复合材料PPT课件
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
.
8.2.2.2. 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
.
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！
.
个人观点供参考，欢迎讨论！
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。
通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态
.
8.2.2.2. 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
.
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！
.
个人观点供参考，欢迎讨论！
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。
复合材料-第八章仿生复合材料
仿树根气相生长C纤维
仿草根气相生长C纤维
3、分形树状氧化锌晶须的制备
可将锌粉在水中研磨，然后沉淀、烘干，经灼烧制成样品。
4、碳纤维螺旋束的增韧效应
平直纤维分布较为均匀，螺旋纤 维则呈束状分布。 平直纤维的体积分数较难控制， 一般在0.35－0.65之间变动，而螺 旋纤维由于直径较粗，体积分数较 易控制，可在0.1－0.3之间变动， 这有利于以最少的纤维用量来满足 不同的使用要求。 甚至可在同一试样不同区域内得 到不同的纤维含量，这可进一步模 仿竹中增强体的力学优化分布。
因此，材料科学工作者试图揭示天然生物材料
的结构特征和形成机制，从而应用于现代材料 的设计与制备。
1.当前复合材料研究中的一些疑难问题：
连续纤维的脆性和界面设计的困难 短纤维易由基体拔出而导致增强失效 晶须的长经比不易选择 陶瓷基复合材料增韧困难 复合材料损伤和裂纹的恢复和愈合
2、仿生分析－－生物材料的优良特性
陶瓷/碳复合材料中碳材料的自愈合抗氧化
碳化硅、碳化硼等，使其表面生成了一层致密的保护 膜，实现自愈合抗氧化。
5、仿生叠层复合材料的研究
贝壳的成分主要是碳酸钙 和少量的壳基质构成，这 些物质是由外套膜上皮细 胞分泌形成的。
贝壳的结构一般可分为3层： 最外一层为角质层，很薄，透明，有光泽，由壳基质构成， 不受酸碱的侵蚀，可保护贝壳。 中间一层为壳层，又称棱柱层，占贝壳的大部分，由极细的 棱柱状的方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 最内一层为壳底,即珍珠质层，富光泽，由小平板状的结构单 元累积而成、成层排列，组成成分是多角片型的文石结晶体 （CaCO3 ）。
贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结构， 而可以看成两级尺度结构的藕合。
仿生材料ppt课件
1997 年德国植物学家Barthlott 发现荷叶表面的自清洁效 应和超疏水现象。 所谓超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于 150°且 滚动角小于10°的表面, 这种表面在工农业生产及日常 生活中有着广泛的应用, 例如, 集水功能、微流体装置、 抗结冰等. 研究发现, 这些超疏水性生物表面的微纳米结构对其超 疏水性起着至关重要的作用。 超疏水材料一般可以通过两种方法来制备: 一种是在粗 糙表面修饰低表面能物质;另一种是在疏水材料(一般其 接触角大于90°)表面构筑粗糙结构. 目前, 已经报道了许多比较成熟的制备技术, 如电化学 沉积法、等离子体和激光刻蚀法、交替沉积法、电纺丝 法、模板法、溶胶-凝胶法等.
荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um， 单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组 成，乳突虎脚掌
水黾腿
蝴蝶翅膀
蚊子复眼
沙漠甲壳虫背部
2.2超疏油仿生界面材料
荷叶上表面的微纳复合结构与表面植 物蜡的协同作用赋予了荷叶“出淤泥而不 染”的超疏水自清洁特性，这一点已经广 为人知。但是荷叶下表面的性质却被人忽 视。 Cheng等对荷叶的上表面和下表面的浸润 性进行了深入的研究。如左图（a）所示， 水滴在荷叶的上表面呈圆形;在水中，油 滴(染色的正己烷)也以球形停留在在荷叶 的下表面，表明荷叶的上下表面分别具有 超疏水和超疏油的特性。通过环境扫描电 镜(ESEM)和原子力显微镜(AFM)对荷叶下 表面进行形貌表征，发现下表面由无数个 扁形乳突组成，每个乳突的长度为30～ 50μ m，宽为10～30μ m，高为4μ m，且上 面覆盖着长度为200～500nm的纳米突起。 另外，荷叶的下表面覆盖着一层亲水的类 水凝胶化合物，正是荷叶下表面的这种特 殊微纳结构和化学组成造就了天然的稳定 水下超疏油表面。这一发现也从侧面反映 了荷叶下表面是抗生物粘附的性质。
仿生复合材料
树的枝桠 枝桠处的微观纹理
（3）生物材料的创伤愈合：
生物材料的显著特点之一是具有再生机能，受到损伤破坏以后机体能自
行修补创伤。 例如断骨的自愈合过程：
三、仿生复合材料
• 仿生复合材料（bionics composite ） • 性质：参照生物材料的规律设计并制造的复合材料。天然
生物材料大都为复合材料，经过亿万年的进化基本上都符 合节约高效的优化原则，即以最少的材料达到最高的效能。
• （1）蝉翼不仅透明轻薄,而且其表面有非常好的超疏水性和 •
自清洁性。 蝉翼的厚度大约在8—10μm,而且蝉翼的上下表面都是由规 则排列的纳米柱状结构组成的。这些纳米柱的直径大约在80 nm左右，纳米柱之间的间距大约在180 nm左右。此外，纳 米柱的高度大约在200 nm左右 （2）荷叶表面由许多直径为5—9μm的乳突构成,而每个乳 突又是由平均直径为124. 3±3. 2nm的纳米结构分支组成。
1.1、仿生学的作用
• 在生物千万年的进化过程后，往往会针对某一特
•
定功能需求，而产生最优化的结构。 人类在设计某些东西时，可以从生物结构上得到 一些灵感（如，雷达的产生），甚至直接套用生 物结构（如，锯齿）。
仿生应用举例
70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球 体蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上 抽取了约80英尺（约24.4米）长的蛛丝，纺织 成这块11英尺×4英尺的披肩（重1.18kg）
仿生应用举例仿生应用举例70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球体蜘蛛而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上抽取了约80英尺约244米长的蛛丝纺织成这块11英尺4英尺的披肩重118kg人们知道自然界的生物材料具有复合结构经人们知道自然界的生物材料具有复合结构经过亿万年自然选择与进化形成大量天然合理的过亿万年自然选择与进化形成大量天然合理的结构与形态
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
46
一、复合材料最差界面的仿生设计
二、分形树状纤维和晶须的增强与构（Fibrous monolithic structure）
Matrix fiber
Interfacial layer
Structure of Bamboo and tree
Fibrous monolithic ceramics
❖1988年Coblenz提出了纤维独石结构设计的思想 ❖1993年Baskaran率先完成了这种陶瓷材料的制备，制备了SiC/C纤维
材料仿生 力学仿生
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。
45
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。
贝壳珍珠层的层状结构
鲍鱼壳（abalone shell）断面显微结构
层状结构（Laminated or layered structure）
matrix layer
Interfacial layer
matrix layer
Structure of Nacre
Laminated structure ceramics
❖1994年，清华大学黄勇教授课题组研究了Si3N4/BN层状结构陶瓷复合材料，其表观断裂 韧性高达28MPam1/2，断裂功高达4000J/m2，比常规的Si3N4材料分别提高了数倍和数十 倍。
独石结构复合材料。这种材料的断裂功可以达到1340J/m2以上，比常 规的SiC陶瓷提高了十几倍。 ❖1994年清华大学黄勇教授课题组，制备和研究了Si3N4/BN纤维独石结 构陶瓷材料，断裂韧性高达20MPam1/2以上，断裂功高达4000 J/m2以 上。
四、仿生愈合与自愈合抗氧化
五、仿生叠层复合材料
❖W.J. Clegg于1990年在《Nature》上发表了关于SiC/C层状复合材料的报道。其断裂韧 性可以达到15 MPam1/2，断裂功更可高达4625 J/m2，是常规SiC陶瓷材料的几十倍。
❖Claussen等重复了ZrO2体系的层状结构，同样获得了较高的韧性和上升的阻力曲线行为。
❖S.M.Hsu等人对Si3N4体系的层状陶瓷进行了研究，实测的断裂功可以达到6500 J/m2以 上，
第八章 仿生复合材料
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：
蚂蚁车
形状仿生
10
分类
结构仿生
功能仿生
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。
46
一、复合材料最差界面的仿生设计
二、分形树状纤维和晶须的增强与构（Fibrous monolithic structure）
Matrix fiber
Interfacial layer
Structure of Bamboo and tree
Fibrous monolithic ceramics
❖1988年Coblenz提出了纤维独石结构设计的思想 ❖1993年Baskaran率先完成了这种陶瓷材料的制备，制备了SiC/C纤维
材料仿生 力学仿生
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。
45
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。
贝壳珍珠层的层状结构
鲍鱼壳（abalone shell）断面显微结构
层状结构（Laminated or layered structure）
matrix layer
Interfacial layer
matrix layer
Structure of Nacre
Laminated structure ceramics
❖1994年，清华大学黄勇教授课题组研究了Si3N4/BN层状结构陶瓷复合材料，其表观断裂 韧性高达28MPam1/2，断裂功高达4000J/m2，比常规的Si3N4材料分别提高了数倍和数十 倍。
独石结构复合材料。这种材料的断裂功可以达到1340J/m2以上，比常 规的SiC陶瓷提高了十几倍。 ❖1994年清华大学黄勇教授课题组，制备和研究了Si3N4/BN纤维独石结 构陶瓷材料，断裂韧性高达20MPam1/2以上，断裂功高达4000 J/m2以 上。
四、仿生愈合与自愈合抗氧化
五、仿生叠层复合材料
❖W.J. Clegg于1990年在《Nature》上发表了关于SiC/C层状复合材料的报道。其断裂韧 性可以达到15 MPam1/2，断裂功更可高达4625 J/m2，是常规SiC陶瓷材料的几十倍。
❖Claussen等重复了ZrO2体系的层状结构，同样获得了较高的韧性和上升的阻力曲线行为。
❖S.M.Hsu等人对Si3N4体系的层状陶瓷进行了研究，实测的断裂功可以达到6500 J/m2以 上，
第八章 仿生复合材料
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：
蚂蚁车
形状仿生
10
分类
结构仿生
功能仿生
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。