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仿生层状复合材料研究概况邵红红子

仿生层状复合材料研究概况

邵红红‘,程晓农“陈光’

南京理工大学材料科学与工程系,南京江苏大学材料科学与工程学院,镇江

摘要从仿生的角度介绍了仿生复合材料尤其是层状复合材料的设计原理、制备方法、主要研究内容和现状。
指出了仿生复合材料的应用前景和今后的发展方向。
关健词仿生设计层状复合材料性能

,

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飞

,,

引言

材料科学与生物学的交叉是近年来迅速发展且具有重要
记
。,
应用前景的材料科学前沿由于复合材料成分多样结构复】
杂,所以很难设计与制备。然而自然界的生物材料几乎无一例
外地都是复合材料,经过亿万年的物种竞争和选择进化,已经
形成很多天然合理的结构,具有复合互补、功能适应和损伤愈
合等优异特性,可供材料科学工作者设计复合材料时参考。例
如贝壳中的珍珠层就是由多边形氰石晶片有规律叠层排列而
成川,如图所示。晶片之间是很薄的一层有机质,当受外
力冲击时,表层晶片出现的裂纹不会扩展到其他晶片层中,而
只是延伸到层间结合的有机质处就偏转了,见图,这样
就大大增大了断裂功与断裂韧性。受贝壳层状组织具备高韧
性特点的启发,仿生层状复合材料就是利用金属的高强度和
树脂的高韧性的特点,通过一定的工艺将它们合成为一整体,
实现优势互补,这样与单一的金属材料相比既提高了综合机
械性能又减小了比重。这类轻质高性能的复合材料对汽车工

、、。
业航天航空建筑等行业有着举足轻重的意义,’」

仿生层状复合材料主要研究内容

仿生层状复合材料的性能取决于铺层材料的种类、厚度
图珍珠层的结构示意图及断裂形貌
及表面处理纤维的种类、铺层方法胶粘剂残余应力等。因

,
此该类复合材料如下几方面为目前研究的主要内容。足强度和韧性的要求如利用仿骨的哑铃型增强体或仿树根

·
预浸料层的研究及制备「卜,。〕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

,。
预浸料层即纤维树脂层。这方面的研究主要包含纤维和递应力而对界面情况不提出特殊的要求其中纤维形态方面
树脂的界面设计、纤维的种类、形状等。一般情况下,复合材料的研究主要有下列儿种
界面强结合可实现应力的理想传递,从而提高材料的强度,但仿骨哑铃型碳化硅晶须是由直杆状晶须和念珠状小球组

,
使其韧性降低弱结合可阻止裂纹扩展而改善韧性,但不利于成,其生成机理为首先生成平直的晶须反应式如下

。
应力传递仿生界面设计就是通过改变纤维的形态来同时满人厂月、十一
材料导报年月第卷第期

。。
然后在平直的晶须上生成物质。物质不后一种界面也会脱粘因此冲击韧性大幅度提高此外需说
断沉积长大,最终形成了念珠状小球。微区衍射表明,小球是明的是,采用螺旋纤维作为复合增强相时,由于纤维方向与外
非晶态的,生成于晶须的层错位置。用相同质量分数平直加应力方向不平行,复合材料弯曲强度会降低左右但

。
晶须和仿生碳化硅晶须增强的薄板及空白试样做考虑到大幅度提高了断裂韧性还是值得的

·
对比,实验结果见表。结果表明,以晶须为增强体可以提高预浸料层与异质材料的叠层粘接
的强度,而且仿生晶须还可以提高的塑性。仿生层状复合材料就是由异质材料薄板和纤维树脂预浸
料交替铺层,经加热固化而制成的一种新型复合材料。目前,
表和晶须增强的拉伸性能
所制备的复合层状材料类型主要有以下几种。
样品拉伸强度伸长率
’一’‘〕
·预浸料层与铝合金胶接层板
片一

·纤维增强铝合金胶接层板的典型产品是芳纶
平直晶须增强片
纤维铝合金胶接层板和玻璃纤维铝合金胶接层
仿生晶须增强片
板。通过改变纤维种类还制备出了、

一、。、
分形树状氧化锌晶须形似草根,又像麦芒,且制备收得量等研究内容主要包含树脂胶粘剂的种
、、
明显高于哑铃型碳化硅晶须。它是将锌粉在水中研磨,然后沉类性质含量对复合层板力学性能尤其是层间剥离性能和缺

、,。,口
淀烘干经灼烧而制成锌粉粒径越小产出率越高所得晶须敏感性能的影响铝合金表面预处理对结合性能的影响纤
,
形态越好。此外最好以分子筛处理,在高温经气一液一固反维的预应力和层板的预变形对复合层板力学性能的影响因
,
,,,,铝合层层
应先形成核长大而成粗晶须再进一步长大经过晶须尖端为金的弹性模量与预浸料的相差较大复合板在拉

,,坏比下铝
凝聚液滴的过程在凝滴消失后晶须将进一步长大成为四脚伸疲劳破中所受的应力要相同条件的单一合金板的
,,
,。大得国属周铝
晶须形如图所示分形树状晶须设计来自模仿土壤中的树多中科学院金研究所本镰等研究纤维树脂

,、。合金层后出对层处
根和草根正如为了加固河岸和堤岸而载树种草一样研究复合板得结论复合板进行预拉伸变形理

,。可以改善其疲劳性能在复合层板固化过程中给纤维施加预
表明分形树型纤维拔出的力