仿生復(fù)合材料

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1、第 八 章 仿 生 復(fù) 合 材 料 主 要 內(nèi) 容 ： 8 .1 材 料 仿 生 概 念 的 提 出 生 物 材 料 2 0 世 紀 8 0 年 代 ， 生 物 自 然 復(fù) 合 材 料 及 其 仿 生 的 研 究 在 國際 上 引 起 極 大 重 視 ， 并 取 得 一 系 列 的 研 究 成 果 。 尤 其 以 下 為代 表 ： 仿 生 復(fù) 合 材 料 材 料 仿 生 的 探 索 是 從 分 析 復(fù) 合 材 料 中 一 些 疑 難 問題 開 始 的 。 這 些 疑 難 問 題 可 以 歸 納 為 如 下 幾 點 ： 連 續(xù) 纖 維 的 脆 性 和 界 面 設(shè) 計 的 困 難 纖 維 易 由

2、基 體 拔 出 導(dǎo) 致 增 強 失 效 晶 須 的 長 徑 比 不 易 選 擇 尋 求 陶 瓷 基 復(fù) 合 材 料 增 韌 方 法 時 遇 到 困 難 需 求 復(fù) 合 材 料 損 傷 性 能 的 恢 復(fù) 方 法 和 內(nèi) 部裂 紋 的 愈 合 方 法 生 物 材 料 最 顯 著 的 特 點 是 具 有 自 我 調(diào) 節(jié) 功 能 ， 再者 具 有 一 些 自 適 應(yīng) 和 自 愈 合 能 力 ， 而 研 究 的 重 要課 題 如 下 ： 例 如 斷 骨 的 自 愈 合 8 .2 復(fù) 合 材 料 的 仿 生設(shè) 計 和 制 備 分 類結(jié)構(gòu)仿生功能仿生材料仿生 力學(xué)仿生 通過研究生物肌體的構(gòu)造，建造類似生物

3、體或其中一部分的機械裝置，通過結(jié)構(gòu)相似實現(xiàn)功能相近。是使人造的機械能夠部分地實現(xiàn)諸如思維、感知、運動和操作等高級動物功能的仿生技術(shù)。功能仿生必須以結(jié)構(gòu)仿生為基礎(chǔ)，在智能機器人的研究中具有重大意義。 分 類結(jié)構(gòu)仿生功能仿生材料仿生 力學(xué)仿生 指模擬生物的各種特點或特性而進行各種材料開發(fā)的仿生技術(shù)。它的研究內(nèi)容以闡明生物體的材料構(gòu)造與形成過程為目標，用生物材料的觀點來考慮材料的設(shè)計與制作。 主要研究人體結(jié)構(gòu)與精細結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及人體各個組成部分在體內(nèi)相對運動和人體運動的動力學(xué)性質(zhì)，從生物力學(xué)角度為疾病的預(yù)防、診斷和治療及人工器官、醫(yī)療康復(fù)器械的設(shè)計與研制提供科學(xué)根據(jù)。 8 .2 .1 復(fù) 合

4、 材 料 的 仿 生 設(shè) 計 復(fù) 合 材 料 最 差 界 面 的 仿 生 設(shè) 計 分 形 樹 狀 纖 維 和 晶 須 的 增 強 與 增 韌 效 應(yīng) 仿 生 螺 旋 的 增 韌 作 用 仿 生 愈 合 與 自 愈 合 抗 氧 化 仿 生 疊 層 復(fù) 合 材 料 的 研 究 8 .2 .1 .1 復(fù) 合 材 料 最 差 界 面 的 仿 生 設(shè) 計 復(fù) 合 材 料 的 界 面 強 結(jié) 合 可 以 實 現(xiàn) 力 的 理 想 傳 遞 ， 從 而 提 高 材 料 強 度 ，但 降 低 韌 性 。 弱 結(jié) 合 與 之 相 反 。 最 佳 界 面 結(jié) 合 狀 態(tài) 不 穩(wěn) 定 ， 在 載 荷 作用 下 會 偏

5、離 最 佳 點 而 變 壞 。 仿 生 界 面 設(shè) 計 采 用 仿 骨 的 啞 鈴 型 增 強 體 和仿 樹 根 的 分 形 樹 型 增 強 體 ， 通 過 基 體 和 增 大 了 的 端 頭 之 間 的 壓 縮 傳 遞應(yīng) 力 而 對 界 面 狀 態(tài) 不 提 出 特 殊 的 要 求 。 應(yīng) 力 傳 遞 對 界 面 狀 態(tài) 不 敏 感 ，即 使 界 面 設(shè) 計 很 差 ， 也 能 滿 足 要 求 而 得 到 優(yōu) 良 的 性 能 。 8 .2 .1 .2 分 形 樹 狀 纖 維 和 晶 須 的 增 強 與 增 韌 效 應(yīng) 分 形 樹 結(jié) 構(gòu) 纖 維 模 型 模 仿 的 是 土 壤 中 的 草 根

6、和 樹 根 實 驗 研 究 ： 纖 維 拔 出 的 力 和 能 量 隨 分 叉 角 變 大 而 增 高 。 8 .2 .1 .3 仿 生 螺 旋 的 增 韌 作 用 竹 材 表 層 的 高 強 和 高 韌 主 要是 由 于 竹 纖 維 優(yōu) 越 性 能 所 致 。 結(jié) 構(gòu) 特 點 ： 空 心 柱 、 纖 維 螺旋 分 布 、 多 層 結(jié) 構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 點 ： 層 間 夾 角 避 免 物理 幾 何 的 突 變 ， 改 善 相 鄰 層間 結(jié) 合 ； 增 加 外 層 厚 度 ， 降低 少 量 正 向 剛 度 ， 切 向 剛 度大 幅 度 提 高 。 實 驗 證 實 ： 將 玻 纖 采 用 不 同夾

7、角 進 行 分 層 非 對 稱 纏 繞 ，并 以 環(huán) 氧 樹 脂 黏 結(jié) 制 樣 ， 進行 壓 縮 實 驗 ， 強 度 降 低 3 8 %，壓 縮 變 形 增 加 2 0 0 %以 上 。 8 .2 .1 .4 仿 生 愈 合 與 自 愈 合 抗 氧 化 生 物 體 損 傷 自 愈 合 材 料 的 仿 生 自 愈 ： 材 料 得 自 然 損 傷 -在 空 氣 中 的 氧 化 ， 某 些 材 料通 過 氧 化 后 形 成 致 密 的 氧 化 物 保 護 膜 陶 瓷 /碳 復(fù) 合 材 料 的 自 愈 合 抗 氧 化 多 層 涂 層 、 梯 度 涂 層 雖 然 可 以 做 到 消 除 熱 應(yīng) 力 引

8、 起 的 裂 紋 ，但 涂 層 受 到 外 力 損 傷 ， 容 易 失 去 抗 氧 化 的 功 能 。 陶 瓷 /碳 復(fù) 合 材 料 處 于 高 溫 氧 化 性 環(huán) 境 ， 表 面 首 先 碳 化 ， 形成 陶 瓷 顆 粒 組 成 的 脫 碳 層 。 脫 碳 層 的 陶 瓷 顆 粒 氧 化 增 大 體 積 或 熔 融 浸 潤 整 個 材 料 表 面 ，氧 氣 的 擴 散 系 數(shù) 降 低 。 8 .2 .1 .5 仿 生 疊 層 復(fù) 合 材 料 研 究 天 然 復(fù) 合 材 料 很 好 的 強 度 和 韌 性 與 其 特 殊 的 微觀 結(jié) 構(gòu) 關(guān) 系 密 切 。 疊 層 結(jié) 構(gòu) 是 許 多 材 料

9、 高 斷 裂 韌 性 的 根 源 。 疊 層 結(jié) 構(gòu) 在 斷 裂 過 程 中 的 變 化 ： a 對 裂 紋 的 斷 裂 起 到 偏 轉(zhuǎn) 作 用 b裂 紋 的 頻 繁 偏 轉(zhuǎn) 延 長 了 裂 紋 的 擴 展 路 徑 c導(dǎo) 致 裂 紋 從 應(yīng) 力 狀 態(tài) 有 利 方 向 轉(zhuǎn) 為 不 利 方 向 d有 機 質(zhì) 發(fā) 生 塑 性 變 形 ， 降 低 裂 紋 尖 端 的 應(yīng) 力強 度 因 子 ， 增 大 了 裂 紋 的 擴 展 阻 力 。 8 .2 .2 復(fù) 合 材 料 的 仿 生 設(shè) 計 方 法 分 類 8 .2 .2 .1 界 面 宏 觀 擬 態(tài) 仿 生 設(shè) 計u復(fù) 合 材 料 界 面 的 作 用

10、： 是 增 強 物 和 基 體 連 接 的 橋 梁 ，同 時 也 是 應(yīng) 力 及 其 它 信 息 的 傳 遞 者 ， 界 面 的 性 質(zhì)直 接 影 響 著 復(fù) 合 材 料 的 各 項 力 學(xué) 性 能 。u生 物 材 料 體 現(xiàn) 出 優(yōu) 良 的 載 荷 傳 遞 能 力 。u纖 維 端 部 形 成 啞 鈴 狀 的 膨 脹 端 來 模 仿 動 物 骨 的 構(gòu) 造 ，如 啞 鈴 狀 的 碳 化 硅 晶 須 ， 延 展 性 明 顯 提 高 。u分 形 結(jié) 構(gòu) 的 碳 纖 維 增 強 環(huán) 氧 樹 脂 ， 強 度 和 韌 性 比 普通 纖 維 高 5 0 %。u仿 雙 螺 旋 韌 皮 纖 維 增 強 復(fù) 合

11、 材 料u擬 態(tài) 8 .2 .2 .2 . 分 子 尺 度 的 化 學(xué) 仿 生復(fù) 合 相 界 面 的 化 學(xué) 仿 生 和 復(fù) 合 材 料 單 體 結(jié)構(gòu) 化 學(xué) 仿 生 。a界 面 化 學(xué) 鍵 仿 生b單 體 化 學(xué) 分 子 結(jié) 構(gòu) 仿 生 8 .2 .2 .3 . 微 觀 晶 體 結(jié) 構(gòu) 仿 生 與 分 子 尺 度 相 比 ， 晶 體 尺 度 的 微 結(jié) 構(gòu) 仿 生可 以 拋 開 物 質(zhì) 構(gòu) 成 成 分 的 限 制 實 現(xiàn) 材 料 組分 的 微 觀 仿 生 復(fù) 合 。 珍 珠 由 9 5 %文 石 單 晶 與 5 %蛋 白 質(zhì) 多 聚 糖 基 體相 互 交 替 疊 層 形 成 ， 珍 珠 硬

12、度 為 組 成 相 的兩 倍 ， 韌 性 為 組 成 相 的 1 0 0 0 倍 。 珍 珠 的 疊 層 微 結(jié) 構(gòu) 存 在 三 種 增 韌 機 理 ： 裂紋 變 形 、 纖 維 拔 出 、 有 機 基 體 的 橋 聯(lián) 作 用 。 8 .2 .2 .4 制 造 工 藝 仿 生 生 物 系 統(tǒng) 制 造 的 非 有 機 復(fù) 合 材 料 通 過 自 身 體 液 的 礦 化 作用 生 成 。 人 造 復(fù) 合 材 料 是 通 過 組 成 相 的 混 合 物 在 高 溫 下 進 行 熱 處理 。 磷 灰 石 -金 屬 基 復(fù) 合 材 料 的 制 備 仿 生 工 藝 ：a.在 生 物 環(huán) 境 下 ， 提 供

13、 能 誘 導(dǎo) 磷 灰 石 形 成 的 表 層b.模 擬 配 置 生 物 體 液c.將 商 用 Ti及 其 合 金 置 于 6 0 ， 用 一 定 濃 度 的 氫 氧 化 鈉溶 液 進 行 24小 時 表 面 活 化 處 理 ， 在 600 高 溫 下 進 行 1h熱 處 理 ， 浸 入 生 物 體 液 。d.X射 線 與 紅 外 光 譜 測 定 表 明 ， 其 無 序 的 鈦 酸 鈉 表 面 覆蓋 有 狀 如 薄 片 、 含 碳 酸 鹽 的 類 似 骨 骼 的 磷 灰 石 晶 體 。 仿 骨 啞 鈴 狀 碳 化 硅 晶 須 的 制 備 和 增 塑 效 應(yīng) 用 氣 相 生 長 法 制 備 樹 根

14、 狀 仿 生 碳 纖 維 用 分 形 樹 狀 氧 化 鋅 晶 須 的 制 備 碳 纖 維 螺 旋 束 的 增 韌 效 應(yīng) 和 反 向 非 對 稱 仿 生 碳 纖維 螺 旋 的 制 備 新 方 法 自 愈 合 抗 氧 化 陶 瓷 /碳 復(fù) 合 材 料 的 制 備 制 備 內(nèi) 生 復(fù) 合 材 料 的 熔 鑄 -原 位 反 應(yīng) 技 術(shù) 仿 生 疊 層 復(fù) 合 材 料 的 制 備8 .2 .3 復(fù) 合 材 料 仿 生 制 備 的 可 行 性 途 徑 8 .2 .3 .1 仿 骨 啞 鈴 狀 碳 化 硅 晶 須 的 制 備 和 增 塑 效 應(yīng) 仿 生 SiC的 制 備 :SiO+3 CO-SiC+2 C

15、O2仿 生 SiC由 直 桿 狀 晶 須 和 珠 狀 小 球 SiOx組 成 仿 生 SiC晶 須 增 強 PVC:PVC片 的 強 度 有 所 降 低 ， 但 塑 性 明 顯提 高 8 .2 .3 .2 用 氣 相 生 長 法 制 備 樹 根 狀 仿 生 碳 纖 維u以 苯 為 碳 源 ， 鐵 為 催 化 劑 ， 氫 為 載 氣 。 將 硝 酸 鐵噴 灑 在 陶 瓷 基 板 上 干 燥 ， 將 基 板 加 熱 使 硝 酸 鐵 分解 為 Fe2 O3 ,氫 氣 還 原 為 鐵 ， 在 1 4 7 3 K使 碳 纖 維 在 基板 上 合 成 。 8 .2 .3 .3 用 分 形 樹 狀 氧 化

16、鋅 晶 須 的 制 備u氧 化 鋅 晶 須 形 似 草 根 ， 麥 芒u鋅 粉 在 水 中 研 磨 ， 然 后 沉 淀 烘 干 ， 灼 燒 制 成 樣 品 。 8 .2 .3 .4 碳 纖 維 螺 旋 束 的 增 韌 效 應(yīng) 和 反 向 非 對 稱仿 生 碳 纖 維 螺 旋 的 制 備 新 方 法 8 .2 .3 .5 自 愈 合 抗 氧 化 陶 瓷 /碳 復(fù) 合 材 料 的 制 備 碳 材 料 的 自 愈 合 抗 氧 化 是 通 過 彌 散 在 基 體中 的 非 氧 化 物 陶 瓷 顆 粒 氧 化 成 膜 來 實 現(xiàn) 的 。 選 擇 合 適 的 非 氧 化 物 組 分 、 組 成 及 粒 度

17、 ，使 之 在 氧 化 氣 氛 中 能 夠 生 成 黏 度 適 中 、 相互 濕 潤 并 對 氧 的 擴 散 系 數(shù) 小 的 均 勻 、 連 續(xù) 、牢 固 的 玻 璃 相 薄 膜 ， 是 實 現(xiàn) 碳 材 料 自 愈 合抗 氧 化 的 重 要 因 素 。 氧 氣 通 過 陶 瓷 邊 界 和 空 隙 向 碳 材 料 內(nèi) 部 擴散 的 過 程 ， 也 是 碳 材 料 實 現(xiàn) 自 愈 合 的 過 程 。這 一 過 程 越 短 越 好 。 8 .2 .3 .6 制 備 內(nèi) 生 復(fù) 合 材 料 的 熔 鑄 -原 位反 應(yīng) 技 術(shù)p將 原 材 料 粉 末 加 入 金 屬 熔 體 中 ， 利 用 粉 末 元

18、素 間 的 放 熱 反應(yīng) ， 在 金 屬 熔 體 中 直 接 反 應(yīng) 生 成 所 需 的 增 強 相 ， 可 制 備 出一 系 列 顆 粒 增 強 的 金 屬 復(fù) 合 材 料 。 8 .2 .3 .7 仿 生 疊 層 復(fù) 合 材 料 的 制 備金 屬 的 選 擇 和 表 面 的 預(yù) 處 理樹 脂 的 選 擇疊 層 材 料 的 制 備 8 .2 .4 陶 瓷 仿 生 工 藝 在 膜 中 生 長 粒 子 可 得 到 形 狀 和 尺 寸 都 可 控 的 粒 子 ，且 粒 子 周 圍 的 有 機 層 可 防 止 團 聚 。 在 聚 合 物 或 凝膠 基 體 上 原 位 形 成 無 機 粒 子 可 制 備 塊 狀 陶 瓷 復(fù) 合材 料 。1 .粉 體 合 成2 .塊 體 材 料 8 .3 仿 生 復(fù) 合 材 料 的 應(yīng) 用 人 造 骨 骼 疊 層 狀 陶 瓷 、 纖 維 增 強 鋁 合 金 膠 結(jié) 層 板 、鋼 板 疊 層 復(fù) 合 材 料 薄 層 陶 瓷 材 料 水 泥 謝 謝 欣 賞 ！