复合材料仿生复合材料.pptx

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，薄层为3045，不同层间界面内夹角逐渐变化，从而避免，不同层间界面内夹角逐渐变化，从而避免几何和物理的突变，层间结合大为改善。几何和物理的突变，层间结合大为改善。很多陶瓷纤维既强且刚，但断裂韧性低。很多陶瓷纤维既强且刚，但断裂韧性低。竹材表层竹材表层(竹青竹青)高强和高韧，其竹纤维由维管束和薄高强和高韧，其竹纤维由维管束和薄壁细胞组成，而维管束包括筛管和韧皮纤维。壁细胞组成，而维管束包括筛管和韧皮纤维。韧皮纤维承担绝大部分载荷。韧皮纤维承担绝大部分载荷。纤维仿生模型三个方面：空心柱、纤维螺旋分布、多纤维仿生模型三个方面：空心柱、纤维螺旋分布、多层结构层结构仿生模型仿生模型(a)，传统纤维增强模型，传统纤维增强模型(b)4、仿生愈合与自愈合抗氧化、仿生愈合与自愈合抗氧化 自愈合抗氧化自愈合抗氧化：当陶瓷碳复合材料处于高温氧化性环境中时，表面当陶瓷碳复合材料处于高温氧化性环境中时，表面的碳首先氧化，形成由陶瓷颗粒组成的脱碳层；的碳首先氧化，形成由陶瓷颗粒组成的脱碳层；脱碳层中的陶瓷颗粒同时不断氧化，一方面消耗向材脱碳层中的陶瓷颗粒同时不断氧化，一方面消耗向材料内部扩散的氧，另一方面体积增大或熔融浸润整个料内部扩散的氧，另一方面体积增大或熔融浸润整个材料表面，使氧气的扩散系数逐渐减小。材料表面，使氧气的扩散系数逐渐减小。碳材料的自愈合抗氧化，就是通过弥散在基体中的非碳材料的自愈合抗氧化，就是通过弥散在基体中的非氧化物氧化物陶瓷颗粒陶瓷颗粒氧化成膜氧化成膜来实现的。来实现的。自愈合自愈合是生物在长期进化过程个形成的一种是生物在长期进化过程个形成的一种自我保自我保护、自我恢复护、自我恢复的方式，是对外界损伤的敏感响应。的方式，是对外界损伤的敏感响应。陶瓷陶瓷/碳复合材料中碳复合材料中碳材料的自愈合抗氧化碳材料的自愈合抗氧化碳化硅、碳化硼等，碳化硅、碳化硼等，使其表面生成了一层致密的保护使其表面生成了一层致密的保护膜，实现自愈合抗氧化。膜，实现自愈合抗氧化。5、仿生叠层复合材料的研究、仿生叠层复合材料的研究 贝壳的结构贝壳的结构一般可分为一般可分为3 3层：层：最外一层为最外一层为角质层角质层，很薄，透明，有光泽，很薄，透明，有光泽，由壳基质构成由壳基质构成，不，不受酸碱的侵蚀，可保护贝壳。受酸碱的侵蚀，可保护贝壳。中间一层为壳层，又称中间一层为壳层，又称棱柱层棱柱层，占贝壳的大部分，占贝壳的大部分，由极细的由极细的棱棱柱状柱状的方解石的方解石（CaCOCaCO3 3,三方晶系）三方晶系）构成构成。最内一层为壳底最内一层为壳底,即即珍珠质层珍珠质层，富光泽，富光泽，由小平板状的结构单由小平板状的结构单元累积而成元累积而成、成层排列，组成成分是、成层排列，组成成分是多角片型多角片型的的文石结晶体文石结晶体（CaCOCaCO3 3 ）。贝壳贝壳的成分的成分主要是主要是碳酸钙碳酸钙和和少量的少量的壳基质壳基质构成，这构成，这些物质是由外套膜上皮细些物质是由外套膜上皮细胞分泌形成的。胞分泌形成的。贝壳珍珠层贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结构，的结构分析表明其并不是单纯的层片结构，而可以看成而可以看成两级尺度结构两级尺度结构的藕合的藕合。一级细观结构上一级细观结构上，增强元，增强元文石薄片文石薄片的面层与贝壳表面平的面层与贝壳表面平行，具有行，具有(510)(510)m(510)m(510)m(0.31.5)m(0.31.5)m m的典的典型尺寸型尺寸.整个薄片在同一层面内以小于整个薄片在同一层面内以小于15nm15nm的的有机物有机物粘合，形成粘合，形成所谓硬层（即所谓硬层（即文石片层文石片层）。这些硬层再以厚约）。这些硬层再以厚约30 nm30 nm的的有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。有机基质层有机基质层对裂纹扩展起到偏转和桥接作用对裂纹扩展起到偏转和桥接作用，使裂纹扩，使裂纹扩展途径。展途径。贝壳和珍珠在断裂前能经受贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑性变形，具有优异较大的塑性变形，具有优异的高韧性。其主要的高韧性。其主要原因原因是由是由于于裂纹偏转、纤维（晶片）裂纹偏转、纤维（晶片）拔出以及有机基质桥接拔出以及有机基质桥接等各等各种韧化机制协同作用的结果。种韧化机制协同作用的结果。而这些韧化机制又与珍珠层而这些韧化机制又与珍珠层的的特殊组成、结构特殊组成、结构密切相关。密切相关。贝壳是的强、韧的最佳配合贝壳是的强、韧的最佳配合,它又被称为它又被称为摔不坏的陶瓷摔不坏的陶瓷。陶瓷强韧化设计：陶瓷强韧化设计：简单组成、复杂结构；简单组成、复杂结构；引入弱界面层；引入弱界面层；非均质精细结构设计非均质精细结构设计模仿珍珠层的结构和增韧机理，采用模仿珍珠层的结构和增韧机理，采用两级尺度的两级尺度的增韧增韧结构，可以在保持较高强度的前提下，较大结构，可以在保持较高强度的前提下，较大幅度地提高材料的韧性。幅度地提高材料的韧性。SiSi3 3N N4 4BN-AlBN-Al2 2O O3 3陶瓷材料陶瓷材料裂纹扩展路径裂纹扩展路径裂纹沿结构单元的间隔层中发生阶梯状裂纹沿结构单元的间隔层中发生阶梯状偏转和分叉偏转和分叉的扩展过程。的扩展过程。四、复合材料仿生制备的可行性探索四、复合材料仿生制备的可行性探索1、防骨哑铃状、防骨哑铃状SiC晶须的制备晶须的制备先生成晶须再在端部生成珠状，以形成哑铃状的先生成晶须再在端部生成珠状，以形成哑铃状的SiC纤维。纤维。拉伸强度比平直纤维低，但伸长率却提高拉伸强度比平直纤维低，但伸长率却提高4倍多。倍多。2、用气相生长法制备树根状仿生碳纳米管、用气相生长法制备树根状仿生碳纳米管Biomimetic carbon nanotubes with fractal-root structures采用气相生长法在陶瓷基板上生长采用气相生长法在陶瓷基板上生长C纤维纤维。碳源苯；催化剂碳源苯；催化剂Fe，载气，载气H2（1）将将Fe(NO3)水溶液洒在基板上并干燥；水溶液洒在基板上并干燥；（2）将基板加热至使）将基板加热至使Fe(NO3)分解为分解为Fe2O3，Fe2O3在在873K被氢被氢 还原为铁作为催化剂；还原为铁作为催化剂；（3）在）在l473K使碳纤维在催化剂的基板上逐步合成。使碳纤维在催化剂的基板上逐步合成。仿树根气相生长仿树根气相生长C纤维纤维仿草根气相生长仿草根气相生长C纤维纤维可将锌粉在水中研磨，然后沉淀、烘干，经灼烧制成样品。可将锌粉在水中研磨，然后沉淀、烘干，经灼烧制成样品。3、分形树状氧化锌晶须的制备、分形树状氧化锌晶须的制备4、碳纤维螺旋束的增韧效应、碳纤维螺旋束的增韧效应u 平直纤维分布较为均匀，螺旋纤平直纤维分布较为均匀，螺旋纤维则呈束状分布。维则呈束状分布。u平直纤维的体积分数较难控制，平直纤维的体积分数较难控制，一般在一般在0.350.65之间变动，而螺之间变动，而螺旋纤维由于直径较粗，体积分数较旋纤维由于直径较粗，体积分数较易控制，可在易控制，可在0.10.3之间变动，之间变动，这有利于以最少的纤维用量来满足这有利于以最少的纤维用量来满足不同的使用要求。不同的使用要求。u甚至可在同一试样不同区域内得甚至可在同一试样不同区域内得到到不同的纤维含量不同的纤维含量，这可进一步模，这可进一步模仿竹中增强体的力学优化分布。仿竹中增强体的力学优化分布。螺旋纤维的冲击韧性明显优于平直纤维。螺旋纤维的冲击韧性明显优于平直纤维。5、自愈合抗氧化陶瓷碳基复合材料的制备、自愈合抗氧化陶瓷碳基复合材料的制备碳材料的自愈碳材料的自愈合抗氧化合抗氧化是通是通过弥散在基体过弥散在基体中的非氧化物中的非氧化物陶瓷颗粒陶瓷颗粒氧化氧化成膜成膜来实现的。来实现的。例子：利用微胶囊修复例子：利用微胶囊修复 受生物体损伤自动愈合的启发，受生物体损伤自动愈合的启发，White组研究并报组研究并报道了一种具有自动修复裂纹能力的聚合物材料。这种道了一种具有自动修复裂纹能力的聚合物材料。这种材料嵌有内装修复剂的微胶囊，每个微胶囊约有头发材料嵌有内装修复剂的微胶囊，每个微胶囊约有头发丝宽，这些微胶囊遇到裂纹入侵时破裂，并通过毛细丝宽，这些微胶囊遇到裂纹入侵时破裂，并通过毛细作用释放修复剂到裂纹面，修复剂接触预先埋入环氧作用释放修复剂到裂纹面，修复剂接触预先埋入环氧基体的催化剂而引发聚合，键合裂纹面。这种损伤诱基体的催化剂而引发聚合，键合裂纹面。这种损伤诱导的引发聚合使得裂纹修复实现了就地自动控制导的引发聚合使得裂纹修复实现了就地自动控制（site-specific autonomic control）。）。White et al.Nature,2001,409:794-797 冲击实验结果表明这种材料能冲击实验结果表明这种材料能恢复恢复75的强度，而且该方法有的强度，而且该方法有望适用于其它脆性材料，如硅酸望适用于其它脆性材料，如硅酸盐和玻璃。盐和玻璃。Self-repair efficiency in an epoxy polymer obtained by fracture toughness testing of tapered double-cantilever beam specimens.The illustration of self-repair mechanism with microencapsulated repair agent.8-3材料仿生研究的新途径探索材料仿生研究的新途径探索功能结构一体化仿生智能复合材料功能结构一体化仿生智能复合材料仿生温和制备仿生温和制备计算机模拟和智能化制备仿生计算机模拟和智能化制备仿生在使用中进行智能化改性和再生在使用中进行智能化改性和再生本章结束！