仿生复合材料.pptx
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1、材料仿生概念的提出复合材料的仿生设计和制备仿生复合材料的运用主要内容:仿生概念实际上古代就有,但比较系统的的现代仿生研究,是从20世纪60年代开始逐渐活跃起来的。材料仿生研究则相对较晚,20世纪90年代初出现biomimetics,模仿生物,人们理解的相对狭隘,而bio-inspired一词的提出,受生物启发的,含义更广,更贴切,渐被材料界所接受。仿生材料:受生物启发或模仿生物的结构而支出的性能优异的材料。生物材料 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:1.Sarikaya等研究了珍珠贝壳的精致层合结构和力学机理,并将其用
2、于研究陶瓷-聚合物和陶瓷-金属复合材料,结果发现其断裂韧性比按常规设计的复合材料提高了40%。2.Gordon等用复合材料柱、板和夹心材料模仿在木细胞中发现的螺旋结构做成玻璃纤维/环氧树脂仿木复合材料,结果发现其断裂韧性也大幅度提高。仿生复合材料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: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:生物材料复合特性生物材料的功能适应性生物材料的的创伤愈合8.2 复合材料的仿生设计和制备10分类分类结构仿生构仿生功能仿生功能仿生材料仿生材料仿生力学仿生力学仿生通过研究生物肌
3、体的构造,建造类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,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。通过结构相似实现功能相近。是使人造的机械能够部分地实现诸如思维、感知、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。中具有重大意义。11分类分类结构仿生构仿生功能仿生功能仿生材料仿生材料仿生力学仿生力学仿生 指模拟生物的各种特点或特性而进行各种材指模拟生物的各种特点或特性而进行各种
4、材料开发的仿生技术。它的研究内容以阐明生物体料开发的仿生技术。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。点来考虑材料的设计与制作。主要研究人体结构与精细结构的静力学性质,以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疗及人工器官、医疗康复器械的设计与研制提供科学根据。根据。8.2
5、.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。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
6、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。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。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。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
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