复合材料课件第八章 仿生复合材料-二
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陶瓷基体的选择：
陶瓷基体一般选用高强的结构陶瓷材料，在承载过程 中可以承受较大的应力，并具有较好的高温力学性能， 才能保证材料的正常使用。目前研究中采用较多的是SiC、 Si3N4、Al2O3和ZrO2等为基体材料，
界面分割材料的选择原则：
❖ 要选择具有一定强度，尤其是高温强度的材料，才能保证常 温下的正常应用以及高温下材料不发生太大的蠕变以至瘫 塌．
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：
（2）仿贝壳珍珠层结构的层状结构陶瓷复合材料
原料、添加剂
球磨混合
干燥过筛
轧膜练泥
陈腐
粘合剂+润滑剂+增塑剂
配制界面层悬浮液
干压预成型
排布装模
涂层、干燥
轧膜或流延成 型薄片
排胶
热压烧结
层状结构陶瓷材料
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
制备工艺主要包括几个环节： ❖ 基体片层的成型（轧膜成型、流延法成型、注浆成型等） ❖ 界面层的涂覆（采用流延、涂层或丝网印刷等） ❖ 片层的排布 ❖ 烧结
仿生结构陶瓷复合材料的高韧性的原因
裂纹偏转
裂纹分叉
裂纹桥连
拉伸强度
氧化铝纳米线阵列 f硅油，g原油
表 8-1 PVC和碳化硅晶须增强PVC（氯乙烯）的拉伸性能
样品
拉伸强度/MPa 伸长率/%
PVC片
25.9
----
平直晶须增强PVC片
50.3
8
仿生碳化硅晶须增强PVC片
有 晶须 (MPa) KIC(MPam1/2) 705.471 20.011.17 678.162 22.561.01 639.760 22.960.88 619.847 23.950.92
（3）载荷-位移曲线
Load (N)
600
400 HP
200
0 0
0.3mm
1.0mm 0.5mm
100
200
❖ 结构参数的优化
基体和界面层的强度、弹性模量、热膨胀系 数、界面结合状态等对仿生结构陶瓷的力学性能 有着明显的影响，如其强度主要是由陶瓷基体层 的强度决定，而高韧性主要是由界面层对裂纹的 偏折决定，因而与界面层的基本性质有关。
❖ 几何参数的优化
仿生结构陶瓷主要由结构单元和界面层组成， 二者的几何尺寸也明显地影响了力学性能。几何 参数主要包括结构单元尺寸(纤维直径、层片厚 度等)、结构单元排列方式（如纤维排布角）、 层数、层厚比等。
❖ 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。
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
例子：仿生结构陶瓷复合材料的制备工艺
（1）仿竹木纤维结构的纤维独石结构陶瓷复合材料
原料、添加剂
球磨混合
干燥过筛
轧膜练泥
陈腐
粘合剂+润滑剂+增塑剂
配制界面层悬浮液
干压预成型
排布装模
涂层、干燥
基体纤维成型
排胶
热压烧结
纤维独石结构陶瓷
制备工艺主要包括几个环节： ❖ 基体纤维的成型（纺丝法、挤出成型等方法） ❖ 界面层的涂覆（浸涂和喷涂） ❖ 纤维的排布 ❖ 烧结（热压烧结）等
❖ 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。
❖ 界面层与结构单元有合适的热膨胀系数差，使得材料中的热 应力不会造成材料的破坏。
❖ 在界面分隔材料的选择中，处理好分隔材料与基体材料的结 合状态以及配比状态尤为重要，它将直接影响材料的宏观结 构所起作用的程度。
纤维独石结构陶瓷复合材料的结构和性能
（1）显微结构
(a)
(b)
(c)
（2）力学性能
纤维前驱体直径
无晶须
(mm)
(MPa) KIC(MPam1/2)
1.0
689.368 8.981.04
0.7
602.162 11.520.98
0.5
562.451 14.111.00
0.3
530.642 17.161.02
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
1、粉体合成
脂质体中的颗粒生长
水包油或油包水—醇盐水解得到氧化物粉体 模版法—形成模型腔注入—煅烧
2、块体材料
高韧性陶瓷材料的仿生结构材料设计要点
❖ 材料体系的选择和优化
基体和界面层的选择要考虑到基体和界面层本身的性质 （如弹性模量、热膨胀系数、强度、韧性等）、二者之 间的物理、化学相容性，性能匹配性等。
31.5
35.8
氧化锌四脚晶须形貌
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
国内外皆有制备螺旋状碳纤维的报道，但制备过程
均很复杂，且耗时、价高、困难。一般在用纤维束制 作预浸带之前，先将纤维束加捻，使其成螺旋状，再 按常规方法制成预浸带。
现在最新方法是采用大电流脉冲定型方法，仅用 1ms脉冲处理，即可将纤维定型为螺旋状，而且可以反 直。纤维材料采用PAN基T300型纤维，每束纤维单丝 约3000根，单丝一般直径为6~8μm，根据仿竹双螺旋 模型，设计内、外纤维分别处理后缠绕的工艺方法， 对于外层纤维，采用加捻技术并经电流脉冲处理定型， 对于外层螺旋纤维，利用缠绕工艺再经一定的电流脉 冲处理定型，然后把外层螺旋纤维缠绕到加捻的纤维 上，这就制得了双螺旋纤维。
(3 wt%) SiC whiskers
(20 wt%)
Separating layer composition
_
_
75 wt% BN + 25 wt%Al2O3 75 wt% BN + 25 wt%Al2O3
Forming method
Cold press
KIC (MPam1/2)
σb (MPa)
陶瓷基体一般选用高强的结构陶瓷材料，在承载过程 中可以承受较大的应力，并具有较好的高温力学性能， 才能保证材料的正常使用。目前研究中采用较多的是SiC、 Si3N4、Al2O3和ZrO2等为基体材料，
界面分割材料的选择原则：
❖ 要选择具有一定强度，尤其是高温强度的材料，才能保证常 温下的正常应用以及高温下材料不发生太大的蠕变以至瘫 塌．
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：
（2）仿贝壳珍珠层结构的层状结构陶瓷复合材料
原料、添加剂
球磨混合
干燥过筛
轧膜练泥
陈腐
粘合剂+润滑剂+增塑剂
配制界面层悬浮液
干压预成型
排布装模
涂层、干燥
轧膜或流延成 型薄片
排胶
热压烧结
层状结构陶瓷材料
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
制备工艺主要包括几个环节： ❖ 基体片层的成型（轧膜成型、流延法成型、注浆成型等） ❖ 界面层的涂覆（采用流延、涂层或丝网印刷等） ❖ 片层的排布 ❖ 烧结
仿生结构陶瓷复合材料的高韧性的原因
裂纹偏转
裂纹分叉
裂纹桥连
拉伸强度
氧化铝纳米线阵列 f硅油，g原油
表 8-1 PVC和碳化硅晶须增强PVC（氯乙烯）的拉伸性能
样品
拉伸强度/MPa 伸长率/%
PVC片
25.9
----
平直晶须增强PVC片
50.3
8
仿生碳化硅晶须增强PVC片
有 晶须 (MPa) KIC(MPam1/2) 705.471 20.011.17 678.162 22.561.01 639.760 22.960.88 619.847 23.950.92
（3）载荷-位移曲线
Load (N)
600
400 HP
200
0 0
0.3mm
1.0mm 0.5mm
100
200
❖ 结构参数的优化
基体和界面层的强度、弹性模量、热膨胀系 数、界面结合状态等对仿生结构陶瓷的力学性能 有着明显的影响，如其强度主要是由陶瓷基体层 的强度决定，而高韧性主要是由界面层对裂纹的 偏折决定，因而与界面层的基本性质有关。
❖ 几何参数的优化
仿生结构陶瓷主要由结构单元和界面层组成， 二者的几何尺寸也明显地影响了力学性能。几何 参数主要包括结构单元尺寸(纤维直径、层片厚 度等)、结构单元排列方式（如纤维排布角）、 层数、层厚比等。
❖ 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。
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
例子：仿生结构陶瓷复合材料的制备工艺
（1）仿竹木纤维结构的纤维独石结构陶瓷复合材料
原料、添加剂
球磨混合
干燥过筛
轧膜练泥
陈腐
粘合剂+润滑剂+增塑剂
配制界面层悬浮液
干压预成型
排布装模
涂层、干燥
基体纤维成型
排胶
热压烧结
纤维独石结构陶瓷
制备工艺主要包括几个环节： ❖ 基体纤维的成型（纺丝法、挤出成型等方法） ❖ 界面层的涂覆（浸涂和喷涂） ❖ 纤维的排布 ❖ 烧结（热压烧结）等
❖ 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。
❖ 界面层与结构单元有合适的热膨胀系数差，使得材料中的热 应力不会造成材料的破坏。
❖ 在界面分隔材料的选择中，处理好分隔材料与基体材料的结 合状态以及配比状态尤为重要，它将直接影响材料的宏观结 构所起作用的程度。
纤维独石结构陶瓷复合材料的结构和性能
（1）显微结构
(a)
(b)
(c)
（2）力学性能
纤维前驱体直径
无晶须
(mm)
(MPa) KIC(MPam1/2)
1.0
689.368 8.981.04
0.7
602.162 11.520.98
0.5
562.451 14.111.00
0.3
530.642 17.161.02
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
1、粉体合成
脂质体中的颗粒生长
水包油或油包水—醇盐水解得到氧化物粉体 模版法—形成模型腔注入—煅烧
2、块体材料
高韧性陶瓷材料的仿生结构材料设计要点
❖ 材料体系的选择和优化
基体和界面层的选择要考虑到基体和界面层本身的性质 （如弹性模量、热膨胀系数、强度、韧性等）、二者之 间的物理、化学相容性，性能匹配性等。
31.5
35.8
氧化锌四脚晶须形貌
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
国内外皆有制备螺旋状碳纤维的报道，但制备过程
均很复杂，且耗时、价高、困难。一般在用纤维束制 作预浸带之前，先将纤维束加捻，使其成螺旋状，再 按常规方法制成预浸带。
现在最新方法是采用大电流脉冲定型方法，仅用 1ms脉冲处理，即可将纤维定型为螺旋状，而且可以反 直。纤维材料采用PAN基T300型纤维，每束纤维单丝 约3000根，单丝一般直径为6~8μm，根据仿竹双螺旋 模型，设计内、外纤维分别处理后缠绕的工艺方法， 对于外层纤维，采用加捻技术并经电流脉冲处理定型， 对于外层螺旋纤维，利用缠绕工艺再经一定的电流脉 冲处理定型，然后把外层螺旋纤维缠绕到加捻的纤维 上，这就制得了双螺旋纤维。
(3 wt%) SiC whiskers
(20 wt%)
Separating layer composition
_
_
75 wt% BN + 25 wt%Al2O3 75 wt% BN + 25 wt%Al2O3
Forming method
Cold press
KIC (MPam1/2)
σb (MPa)