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第八章 仿生复合材料
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主要内容：
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8.1 材料仿生概念的提出
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生物材料
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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：
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仿生复合材料
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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：
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北京工商材料科学与工程学 院
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8.2.2复合材料的仿生设计方法分类
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8.2.2.1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，
• 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。
.
12
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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 仿生螺旋的增韧作用 仿生愈合与自愈合抗氧化 仿生叠层复合材料的研究
.
8.2.1.1 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。
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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。
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。
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11
分类
结构仿生
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8.2.3.1仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效 应
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
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8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
功能仿生
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。
材料仿生 力学仿生
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。
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。
.Βιβλιοθήκη Baidu
8.2.2.4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。
• 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。
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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
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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。
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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。
– 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。
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8.2.1.5 仿生叠层复合材料研究
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
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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：
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例如断骨的自愈合
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8.2 复合材料的仿生 设计和制备
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8.2.3复合材料仿生制备的可行性途径
仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 用分形树状氧化锌晶须的制备 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 自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 仿生叠层复合材料的制备
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主要内容：
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8.1 材料仿生概念的提出
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生物材料
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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：
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仿生复合材料
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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：
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北京工商材料科学与工程学 院
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8.2.2复合材料的仿生设计方法分类
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8.2.2.1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，
• 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。
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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 仿生螺旋的增韧作用 仿生愈合与自愈合抗氧化 仿生叠层复合材料的研究
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8.2.1.1 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。
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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。
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。
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11
分类
结构仿生
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8.2.3.1仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效 应
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
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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
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8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
功能仿生
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。
材料仿生 力学仿生
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。
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。
.Βιβλιοθήκη Baidu
8.2.2.4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。
• 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。
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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
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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。
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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。
– 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。
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8.2.1.5 仿生叠层复合材料研究
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
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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：
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例如断骨的自愈合
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8.2 复合材料的仿生 设计和制备
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8.2.3复合材料仿生制备的可行性途径
仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 用分形树状氧化锌晶须的制备 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 自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 仿生叠层复合材料的制备