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1、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,一,一一,一,一一飞,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
2、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
3、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。预浸料层的研究及制备卜,。预浸料层即纤维树脂层。这方面的研究主要包含纤维和树脂的界面设计、纤维的种类、形状等。一般情况下,复合材料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】记图珍珠层的结构示意图及断裂形貌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的分形树型增 强体,通过 基体和
4、增大了的端头之 间的压缩传递应力,而对 界面情况不提出特殊的要求。其中纤维形态方面的研究主要有下 列 儿种仿骨 哑铃型碳化硅晶须是由直杆状晶须和念珠状小球组成,其 生成机理为首先生成平直的晶须,反应式如下人 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 质不断沉积长大,最终形成了念珠状小球。微区衍射表明,小球是非晶态的,生成于晶须的层错位置。用相同质量分数平直晶须和仿生碳化硅 晶须增强 的薄板及空白试样做对比,实验结果见表。结果表明,以晶须 为增强体可以提高的强度,而且仿生晶须还可以提高的塑性。表和晶须增强的拉伸性能样品拉伸强度伸长率片一平直晶须增强片仿生晶须增强片分形树状氧
5、化锌晶须形似草根,又像麦芒,且制备收得量明显高于哑铃型碳化硅晶须。它是将锌粉在水中研磨,然后沉淀、烘干,经灼烧而制成。锌粉粒径越小产出率越高,所得晶须形态越好。此外最好以分子筛处理,在高温经气一液一固反应,先形成核,长大而成粗晶须,再进一步长大,经过晶须尖端凝聚液滴的过程,在凝滴消失后晶须将进一步长大,成为四脚晶须形,如图所示。分形树状晶须设计来自模仿土壤中的树根和草根,正如为了加固河岸和堤岸而载树、种草一样。研究表明,分形树型纤维拔出的力和能量随分叉角变大而增高。由此可推知,以这种类型 的纤维增强的复合材料比平直纤维 增强的复合材料的强度和断裂韧性都高。图级化锌四角晶须形貌仿竹双螺旋纤维是模
6、仿竹纤维的优良性能而设计的。基体对纤维的作用力可分为平行和垂直于纤维的两个方 向,其中后者有使螺旋松开 的趋势,从而使螺旋在受力方 向上有一定延长,避免了立即断裂。假如纤维的弹性模量与基体的相差较大,纤维若从树脂基体中拔出就必须挤压基体 中的峰使其发生很大的塑性变形,消耗较大的形变功,因此增加了拔出阻力。据资料介绍,螺旋纤维复合材料的冲击韧性远高于平直纤维复合材料的冲击韧性。对于平直纤维复合材料来说,其冲击断口上纤维基本无脱粘,为脆性断口,表现出典型的强界面结合特征。对于螺旋纤维复合材料来说,尽管螺旋纤维内纤维单丝仍无脱粘,但螺仿纤维作为一个整体则有明显的脱粘现象。这是因为与平直纤维复合材料相
7、比,螺旋纤维复合材料中除了存在纤维单丝基体界面外,还存在纤维束基体界面。由于纤维束直径远大于纤维单丝直径,即使在强界面结合下,后一种界面 也会脱粘。因此冲击韧性大幅度提高。此外需说明的是,采用螺旋纤维作为复合增强相时,由于纤维方 向 与外加应 力方向不平行,复合材料弯 曲强度会降低左右但考虑到大幅度提高了断裂韧性还是值得的。预浸料层与异质材料的叠层粘接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,所制备的复合层状材料类型主要有以下几种。预浸料层与铝合金胶接层 板一纤维增强铝 合金胶接层板的典型产品是 芳纶纤维铝合金胶接层板和玻璃纤维铝
8、合金胶接层板。通过 改变纤 维种 类还 制 备出了、一、等。研究内容主要包含树脂、胶粘剂的种类、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敏感性能的影响铝合金表面预处理对结合性能 的影响 纤维的预应力和层板的预变形对复合层板 力学性能的影响,因为铝 合金的弹性模量与预浸料层的相差较大,复合层板在拉伸疲劳破坏中所受的应力要比相同条件下的单一铝合金板的大得多中国科学院金属研究所周本镰等研究纤维,树脂铝合金复合层板后得出结论对复合层板进行预拉伸变形处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拉伸应 力能提高其屈服强度、弹性极限及断裂强度。此外还有纤维金属层板疲劳寿命预测的研究。
9、的 突出特点是疲 劳性能好,减重效果明显,制造成本相对较低,并具有 良好的抗冲击性能和阻尼性能,是目前替代铝合金的最直接的侯选材料之 一,一只。预 浸料层与钢板层状复合材料,“。将钢板与高聚物材料通过压制方法 使其复合,发挥两者各自的特长,制得具有高强度和良好减振性 能的层压复合材料并研究其成型性,明确其变形规律在 生产及理论方面都有重要意义。研究结果表明,增大钢板表面粗糙度和适当加大粘合压 力,可改善层压复合材料的成型性。这是因为钢板经表面处理后表面粗糙度增大,表面积随之增大,由此提供了更多的机械啮合中心,从而增大了钢板与高聚物之 间的结合强度增大粘合压力可使钢板与高聚物在界面上建立起分子级
10、的紧密接触,减小了夹层中裂缝及气泡存在的几率,提高了界面结合强度。除此之外,高聚物结构对层压复合材料的成型性影响也很大。若将这种复合材料中的钢板换成工业纯铁可制得约束型阻尼型夹层板,从而将振动动能转变成热能耗散出去,达到阻尼减振的目的。用夹层阻尼板替代直流接触器上的衔铁,其振动次数及幅值等都明显减低。层状复合陶瓷材料习层状复合陶瓷材料是由陶瓷基层和延性层交替铺层热压而 成,按其 陶瓷基化学组成分为基、。基和基按其延性层组成分为纤维树脂、碳纤维、石墨纸夹层、金属薄片层等。层状复合陶瓷材料以其独特的结构,比一般的单块陶瓷具有更高的抗冲击性能。与单相,相比,李恒德等研制的玩。纤维增强树脂层状仿生复合
11、材 料 的断裂功提高了,若用芳纶纤维 增强树 脂基体,断裂功可提 高仿生层状复合材料研究概况邵红 红等倍。英帝国化学工业公司在硬质片之 间用石墨隔开,经热压成型,使折断所需能量提高倍,这种层状复合陶瓷具有耐 高温 和高 强度特性,而韧性接近金属。大学的等研究了层状复合材料中软层的性质与材料性能的关系,并以此为基础研制出了。层状复合 材料,其抗弯强度达,断裂功可达。叮。目前,对层状复合陶瓷材料除了制备技术研究外,还运用数学拓扑图形学等对其进行微观界面几何形状的控制研究,目的是进一步改善陶瓷的性能。热塑性树脂的性能见表。表部分热塑性树脂的性能哪树脂拉伸强度断裂延 拉伸模量悬臂梁缺口冲名称伸率,击强
12、度,一线膨胀系长期使用数温度,一层状复合材料的制备目前我国研制得比较 多的层状复合材料 为铝合金纤维树脂复合板材。因为它具有重 量轻,抗弯强度高,抗压性稳定,防 火性好等特点川口,所以成为新一代的航空结构材料。铝合金的表面处理工艺就铝合金纤维树脂层板复合材料而言,为了获得较好的表面粘附效果,必须对铝合金表面进行预处理,目的在于去除自然状态下铝合金表面存在的吸附性较差的氧化膜,形成新的表面形貌,增加接触面积从而提高物理吸附和化学吸附能力。常用的表面预处理方法主要为化学处理法和机械处理法。化学处理法能够在铝合金表面形成具有一定特征形貌的氧化层,以提高铝合金表面与聚合物之间的反应活性。铝合金表面不同
13、种类氧化膜的性质比较见表。机械处理法可以增 加铝合金表面粗糙度,改善表面粘附能力,同时在铝合金表面产生残余压应力从而提高整体的疲劳性能。但要注意表面不能太粗糙,否则粘接界 面易形成 点接触,残存气泡,反而会降低粘接强度。表氧化膜的性质比较层状复合材料制备层状复合材料成型是在一定温度和压力下进行的,其制备工 艺流程如图所示。在此过程中,除了树脂本身发生交联反应外,树脂和金属 层表面的极性基团也会发生反应。压力的作用在于提高树脂对金属表面微孔的渗透 和扩散,有利于固化反应时低分子挥发物的排出 以防止气泡的产生,除此之外,还可以保证树脂层厚度的均匀性。温度则对固化反应程度和固化后的应力分布产生影响。
14、总之制备工艺 包含预浸料层的制备和金属表面预处理工艺 质量直接关系到层状复合材料的性能。因此,新工艺、新技术的研究开发将成 为发展高性能层状复合材料的关键环节。金属表面预处理加压复合铝铝合金氧化膜种类类厚度拌特性性大大气中自然形成的氧化膜膜疏松、不均匀、非晶态态化化学氧化处理获得得较好的吸附能力、质软软的的氧化膜膜膜膜阳阳极氧化处理获得得一硬质阳阳较强的吸附力、硬度高、的的氧化膜膜极氧化可达达耐蚀性强、绝热抗热性强强图层状复合材料工艺流程图树脂的选择高聚物基复合材料所使用的树脂基体多数为热固性树脂,因其成型性好,固化收缩小,与增强纤维表面浸润好等特点,所以目前层状复合材料中的树脂大多用热固性塑
15、料。但是热固性树脂复合材料的损伤容限低,回收再生困难,因为基体是不溶不融的。相比而言热塑性树脂具有较好的特性 应力松弛现象明显,抗冲击性能好,应变速率不大时,具有较大的断裂延伸率,回收再生性较好。容易回收再生而且回收利用率高的“绿色复合材料”是当前应着手考虑的材料。热塑性基体复合材料近年 来 有较 大的 增 长 趋 势,年 增长率为一。随着工艺的改进,成本的降低,热塑性树脂在性能上的潜在优势会得到充分的发挥。为了得到较理想的化学吸附效果,通常选择具有、等极性键的树脂材料。部分结束语自从世纪年代 中期开展仿生复合材料研究以来,己经取得了一些有意义的成果,尤其在理论方面的研究较为深入,建立 了多种
16、仿生模型。此外,在仿生分析和设计的基础上,已经找到 了一些行之有效的材料仿生制备新途径,但这些途径只是告知人们一些制备的新方法,并不能全面符合发展实用材料的要求。因此还需要进一步努力寻求更加经济而全面的制备新方法,进一步完善仿生模型,为复合材料在汽车、航空、建筑等领域的应用作出更大的贡献。参考文献汪日志,等仿生设计的。纤维增强树脂层状复合材料材料研究学报,一,一,材料导报年月第卷第期,一,陈国华,李明春,等天然材料微观结构与过程仿生研 究进展化学通报,沈玉华,谢安建珍珠 中碳酸钙与有机基质之 问相互作用的研究东南大学学报,陈斌,彭向和生物自然复合材料的结 构特征及仿生复合材料的研究复合材料学报
17、,周本镰,等哑铃状碳化硅 晶须 的微观结构分析材料研究学报,吴人洁复合材料天津天津大学出版社,、,一,吴学仁,郭亚军纤维金属层板疲劳寿命预测 的研究进展力学进展,王成果,等层压减振复合钢板的结构设计机械工程学报,堵永国,等金属高聚物夹层阻尼板的阻尼特性及其应用国防科技大学学报,”,郭香华,等陶瓷叠层结构增韧设计的数值模拟及实验研究硅酸盐学报,李凤林铝一塑复合板冷 贴 工艺 研 究轻合金加工技术,沈宁一,等表面处理工艺手册上海上海科学技术出版社,沃丁柱,等复合材料大全化工工业出版社,张 桂甲高分子材料的工程 应用与发 展机械工程材料,责任编辑肖寒上接第页,一,董梅,巩雁军,吴东,等石油炼制与化工,一,一一,一,化学学报,李守贵,房铭,庞文琴,等 催化学报,一,一,一,一,一,责任编辑徐鸣