复合材料仿生复合材料.pptx
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1、 生物生物仿生材料学仿生材料学(1960年年9月第一届仿生讨月第一届仿生讨论会,论会,J.Steele正式提出正式提出)是一门是一门新型的交新型的交叉学科叉学科,包括了材料科学与工程、分子生,包括了材料科学与工程、分子生物学、生物化学、物理学及其他学科内容。物学、生物化学、物理学及其他学科内容。8-1 材料仿生探索的提出材料仿生探索的提出Bionics Bi(o)+(electr)onicsBio-mimeticsBio-inspired Bionics 生命、性质生命、性质 Biomimetics 结构、功能结构、功能 Bio-inspired 结构、功能、过程结构、功能、过程仿生材料仿生材
2、料就是受生物启发或模仿生物的就是受生物启发或模仿生物的结构而制成的性能优异的材料。结构而制成的性能优异的材料。自然界中的物质和天然生物材料,如自然界中的物质和天然生物材料,如贝壳、骨贝壳、骨骼、蚕丝、竹、木材骼、蚕丝、竹、木材等都是经数亿年进化的产等都是经数亿年进化的产物,迄今已具有适应其环境与功能需求的最佳物,迄今已具有适应其环境与功能需求的最佳结构,表现出传统人工合成材料无法比拟的优结构,表现出传统人工合成材料无法比拟的优异的异的强韧性、功能适应性及损伤愈合能力强韧性、功能适应性及损伤愈合能力。因此,材料科学工作者试图因此,材料科学工作者试图揭示天然生物材料揭示天然生物材料的结构特征和形成
3、机制的结构特征和形成机制,从而应用于现代材料,从而应用于现代材料的设计与制备的设计与制备。连续纤维的脆性和界面设计的困难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晶须的长经比不易选择陶瓷基复合材料增韧困难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复合材料损伤和裂纹的恢复和愈合1.当前复合材料研究中的一些疑难问题:当前复合材料研究中的一些疑难问题:2、仿生分析生物材料的优良特性、仿生分析生物材料的优良特性生物材料的复合特性生物材料的复合特性生物材料的功能适应性生物材料的功能适应性生物材料的创伤愈合生物材料的创伤愈合
4、复合特性复合特性:n生存下来的生物结构大都符合环境要求,并成功地达到了优生存下来的生物结构大都符合环境要求,并成功地达到了优化水平。如,木材化水平。如,木材n宏观结构:由树皮、边材和芯材组成复合材料。宏观结构:由树皮、边材和芯材组成复合材料。n微观结构:由许多功能不同的细胞构成。细胞壁可以看作多微观结构:由许多功能不同的细胞构成。细胞壁可以看作多层的复合柱体。层的复合柱体。功能适应性功能适应性:n无论是从形态学的观点还是从力学的观点来看,生物材料都是十无论是从形态学的观点还是从力学的观点来看,生物材料都是十分复杂的。这种复杂性是长期自然选择的结果,是由功能适应性分复杂的。这种复杂性是长期自然选
5、择的结果,是由功能适应性所决定的。所决定的。n由于树木具有负的向地性,通常生长挺直,一旦树木倾斜,偏离由于树木具有负的向地性,通常生长挺直,一旦树木倾斜,偏离了正常位置,便会在高应力区产生特殊结构,使树干重新恢复正了正常位置,便会在高应力区产生特殊结构,使树干重新恢复正常位置。这无疑说明树木具有某种反馈功能和自我调节的能力。常位置。这无疑说明树木具有某种反馈功能和自我调节的能力。生物材料的生物材料的创伤愈合:创伤愈合:生物有机体的显著特点之一是具有生物有机体的显著特点之一是具有再生机能再生机能。骨折后断裂处的骨折后断裂处的血管破裂血管破裂-血肿血肿-血凝块血凝块-裂口连接裂口连接-骨痂骨痂-软
6、骨软骨在成骨细胞和破骨细胞的共同作用下,将原始骨痂逐在成骨细胞和破骨细胞的共同作用下,将原始骨痂逐渐改造成正常骨。渐改造成正常骨。8-2 复合材料的仿生设计和制备复合材料的仿生设计和制备材料的结构仿生材料的结构仿生材料的功能仿生材料的功能仿生材料的过程仿生材料的过程仿生一、当前材料仿生研究的一些新动向一、当前材料仿生研究的一些新动向贝壳贝壳结构结构 修造大跨度薄壳建筑修造大跨度薄壳建筑 股骨股骨结构结构 建造立柱建造立柱海豚皮肤海豚皮肤的沟槽结构的沟槽结构 包敷人工海豚皮于船外壳包敷人工海豚皮于船外壳 消除应力集中、用最少的建消除应力集中、用最少的建材承受最大的载荷材承受最大的载荷减少湍流减少
7、湍流提高航速提高航速结构仿生结构仿生 美国研发出一款举世无双美国研发出一款举世无双的的“海豚潜艇海豚潜艇”,它不仅,它不仅在外形上酷似海豚,而且在外形上酷似海豚,而且能像海豚一样时而潜入水能像海豚一样时而潜入水中,时而跃出水面做出惊中,时而跃出水面做出惊险刺激的翻腾动作。险刺激的翻腾动作。功能仿生功能仿生超疏水应用超疏水应用可可自自洁洁的的涂涂料料荷叶粗糙表面上有微米结构的荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突,平均直径为乳突,平均直径为5-9um5-9um,单个,单个乳突又是由平均直径约为乳突又是由平均直径约为124.3nm124.3nm的纳米结构分支组成,的纳米结构分支组成,乳突之间的表面同样存在
8、纳米乳突之间的表面同样存在纳米结构。结构。微米微米-纳米的分级纳米的分级复合结构复合结构微米微米-纳米的分级复合结构纳米的分级复合结构示意图示意图由于微、纳米结构并由于微、纳米结构并存,大量空气储存在存,大量空气储存在这些微小的凹凸之间,这些微小的凹凸之间,水珠只与荷叶表面乳水珠只与荷叶表面乳突的部分蜡质晶体绒突的部分蜡质晶体绒毛相接触。毛相接触。单一微米或纳米结构示意图单一微米或纳米结构示意图过程仿生过程仿生 研究并模仿生物体某些特殊的研究并模仿生物体某些特殊的行为过程行为过程。n长脖的长脖的苍鹭苍鹭-远距离捕食的高手远距离捕食的高手 用矛捕鱼或娴熟的标枪能手用矛捕鱼或娴熟的标枪能手n长尾巴
9、的长尾巴的禾鼠禾鼠-随处攀爬的高手随处攀爬的高手 平衡杠或安全绳的应用平衡杠或安全绳的应用n蜘蛛蜘蛛的成丝过程的成丝过程-各种因素协同作用下的液晶态干法纺丝各种因素协同作用下的液晶态干法纺丝 生物材料生物材料vs合成材料合成材料 生命过程的最大特点是能够通过生命过程的最大特点是能够通过新陈代谢新陈代谢进行自进行自恢复、自修复和自我更新。恢复、自修复和自我更新。物理学的角度来看,生命体或生物体材料是一个开放物理学的角度来看,生命体或生物体材料是一个开放体系,具有体系,具有耗散结构耗散结构,能够通过从外界补充能量和物,能够通过从外界补充能量和物质,通过质,通过自组织而再生自组织而再生,因而寿命可比
10、无补充时成千,因而寿命可比无补充时成千倍地延长。倍地延长。工程材料则主要在工程材料则主要在制备阶段制备阶段形成开放体系,而在使形成开放体系,而在使用阶段,当其用阶段,当其承受载荷和在受损伤时承受载荷和在受损伤时也是一种形式的也是一种形式的开放。但是人们很少着眼于开放。但是人们很少着眼于内部结构和性能的恢复和内部结构和性能的恢复和更新更新。二、复合材料的仿生设计二、复合材料的仿生设计复合材料最差界面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螺旋的增韧作用仿生愈合与自愈合抗氧化仿生愈合与自愈合抗氧化 仿生叠层复合材
11、料的研究仿生叠层复合材料的研究1、复合材料最差界面的仿生设计、复合材料最差界面的仿生设计强结合强结合弱结合弱结合应力的理想传递应力的理想传递材料强度提高材料强度提高韧性降低韧性降低阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展韧性提高韧性提高不利于应力传递不利于应力传递材料强度降低材料强度降低复复合合材材料料界界面面最佳的界面结合:同时满足强度和韧性的要求最佳的界面结合:同时满足强度和韧性的要求仿生界面设计仿生界面设计仿骨的哑铃型增强体仿骨的哑铃型增强体仿树根的分形树型增强体仿树根的分形树型增强体即使界面设计很差,也能满足要求即使界面设计很差,也能满足要求而得到优良的性能而得到优良的性能应力传递对界面状态应力传递对
12、界面状态不敏感不敏感最最“差差”界面的结合界面的结合最差界面的仿生设计最差界面的仿生设计:利用仿骨的哑铃形或仿树根的分型设计增强体,利用仿骨的哑铃形或仿树根的分型设计增强体,通过基体和增大了的端头之间的压缩传递应力通过基体和增大了的端头之间的压缩传递应力而不对界面情况提出特殊要求,此时应力传递而不对界面情况提出特殊要求,此时应力传递对界面不敏感,即使界面设计很差,也能满足对界面不敏感,即使界面设计很差,也能满足要求,得到优良的性能,因此称之为要求,得到优良的性能,因此称之为最差界面最差界面结合。结合。哑铃哑铃设计时,即使界面结合强度较低,但仍可获得较高的增设计时,即使界面结合强度较低,但仍可获
13、得较高的增强度,而强度,而直纤维直纤维则需较高的界面结合强度方可获得较高的增则需较高的界面结合强度方可获得较高的增强效果,强效果,仿生结合时,其增强效率最高。仿生结合时,其增强效率最高。2、分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应、分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应纤维从基体拔出的力和能量纤维从基体拔出的力和能量随分叉角变大而增高随分叉角变大而增高3、仿生螺旋的增韧作用、仿生螺旋的增韧作用u竹纤维的精细结构由若干厚薄相间的层组成,每层竹纤维的精细结构由若干厚薄相间的层组成,每层中的纤维以不同的夹角分布。中的纤维以不同的夹角分布。u通常厚层中纤维与轴的夹角为通常厚层中纤维与轴的夹角为3 10,薄层为,
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