（材料学专业论文）仿生结构复合材料的设计及其性能研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 自然界中的一些天然生物材料经过亿万年进化的结果使得它们具有性能和结构的良 好适应性。本文将甲虫前翅作为研究模仿的对象，通过比较不同种类间甲虫前翅的结构异 同，抽象出仿生结构模型，设计了柱状夹芯结构复合材料：并从甲虫前翅的微观结构中发 现同一铺层以及不同铺层中的几丁质纤维的尺寸和各层的厚度不一样，在可能出现较大外 力的部位往往具有较粗大的纤维和较多的叠层及厚度( 如蝉的头部背壳) ，而人工合成复合 材料中的纤维粗细和叠层数往往是不变的，受此启发设计了粗细交织的网络筋增强结构复 合材料。 选用环氧树脂和玻璃纤维作为树脂基体和增强纤维，采用手糊工艺制备出小柱夹层复 合材料和网络筋增强结构复合材料。并通过改变纤维的铺层方式、小柱与上下面板的连接 方式等制备不同结构的小柱夹层复合材料试样，对它们进行力学性能的测试与比较，从而 获得优化合理结构。小柱与面板的纤维相连的试样，能够极大的提高夹层结构的剪切强度； 在小柱与面板结构连接方式一样的情况下，面板纤维呈0 0 铺层的试样其剪切性能要高于面 板纤维呈0 0 1 9 0 0 交替铺层的试样。通过纤维粗细排列变化制备不同结构的网络筋增强结构 复合材料试样，对它们进行力学分析，试样中粗纤维的含量直接决定了试样的最大拉伸载 荷，粗细交织为1 ：3 的试样弹性模量较小，但拉伸强度较高，表现出较好的柔性。试样的 弯曲性能从高到低依次是粗交织、粗细交织( 1 ：3 ) 、粗细交织( 1 ：5 ) 、细交织，且样品均 未发生断裂和脱层破坏，这表面试样具有很好的变形能力。粗细交织的试样与细交织的试 样相比，其弯曲强度有大幅度的提高，且粗细交织比例l ：3 的试样网络筋增强结构的纺织 复合材料的综合性能最好。 本课题的试验结果表明小柱与面板一体成型的夹芯板在很多力学性能方面都优于传 统的夹芯板，在未来的工业，生活中的应用会越来越广泛；网络筋增强结构复合材料能在 节约原料成本的前提下，充分发挥了高强度纱线的作用，提供较大的强度，以轻质高强特 点可用于各类交通设施、能源和化学等工业部门。 关键词：结构仿生，甲虫前翅，柱状夹芯，网络筋、力学性能 浙扛理工大学硕l ：学位论文 a b s t r a c t b i o m a t e r i a l si nn a t u r e ，b a s e do nt h ee v o l u t i o no fb i l l i o n so fy e a r s ，h a v eg o o d a d a p t a b i l i t yi np e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r e t h eb e e t l e sa r el i g h t w e i g h tf o rf l y , a n dh a v e h i g hs t r e n g t he l y t r a st op r o t e c tb o d y i nt h ec o u r s eo fl o n g p l a y i n ge v o l u t i o n ，t h eb e e t l e s 。 w h i c hb e l o n gt oo n eo ft h ee a r l i e s ti n s e c t 。e v o l v e de l y t r a sw i t hah i g h l yo p t i m i z e d s t r u c t u r e t h ed i f f e r e n ti n s e c t sh a v em o r et h a n6 0s p e c i e s w h i c ho c c u p ya p p r o x i m a t e l y 8 0 o fa l la n i m a l s s ow ec h o o s et h ee l y t r o no fb e e t l ea sr e s e a r c ho b j e c t ，c o n s t r u c tt h e m o d e lo fb i o n i cs t r u c t u r ea n dd e s i g nc o l u m e l l i f o r ms a n d w i c hc o m p o s i t em a t e r i a l sb y c o m p a r i n gd i f f e r e n tt y p e so fb e e t l ee l y t r a s w ef i n dt h a tt h es i z ea n dt h i c k n e s so ft h e c h i t i nf i b e ri nt h es a m ea n dd i f f e r e n ts p e a d i n g sa r ed i s c r e p a n t t h e r ea r eb u l k yf i b e m a n ds u p e r i o rl a m i n a so rt h i c k n e s sl o c a t e di nt h er e g i o nw i t hs t r o n go u t s i d ef o r c e ( s u c ha s t h ed o r s a ls c a l eo fc i c a d a ) h o w e v e r , t h et h i c k n e s so ff i b e ra n dt h en u m b e ro fl a m i n a s e x i s t e di nt h ea r t i f i c i a lc o m p o s i t em a t e r i a l s ，a r eg e n e r a l l yi n v a r i a b l e s ow ed e s i g n e da n e t w o r kt e n d o ns t r e n g t h e n i n gc o m p o s i t em a t e r i a l sw i t ht h i c ka n dt h i ni n t e r w e a v i n gf i b e r e p o x yr e s i na n dg l a s sf i b e rw a sc h o s e nr e s p e c t i v e l ya sr e s i n m a t r i xa n d r e i n f o r c e m e n tf i b e r c o l u m e l l i f o r ms a n d w i c hc o m p o s i t em a t e r i a l sa n dn e t w o r kt e n d o n s t r e n g t h e n i n gc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ep r e p a r e db ya r t i f i c i a lp a s t et e c h n i q u e s s o m e d i f f e r e n ts a m p l e sw e r ep r e p a r e db yc h a n g i n gt h ef i b e rs p e a d i n gm o d e ，t h ec o n n e c t i o n m o d eb e t w e e nc o l u m e l l a sa n dt w op a n e l s ，a n dt h ep r o p o r t i o no ft h i c ka n dt h i nf i b e ni n a d d i t i o n 。t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h e s em a t e r i a l sw a sm e a s u r e da n dc o m p a r e de a c h o t h er w eo p t i m i z e dt h ep r e p a r a t i o np r o c e s sa n do b t a i n e dt h ep r e f e r a b l es t r u c t u r e t h e s a n d w i c hc o n n e c t i n gb o a r dw i l l g e th i g h e rp r o p e r l yo fs h e a rs t r e n g t h a tt h es a m e c o n n e c t i o nm o d eb e t w e e nc o l u m e l l a sa n dt w op a n e l s ，t h es a m p l eo fp a n e lf i b e rw i t h0 0 s p e a d i n gm o d eh a dah i g h e rs h e a r i n gp e r f o r m a n c et h a nt h es a m p l eo fp a n e lf i b e rw i t h 0 0 9 0 0a l t e r n a n ts p e a d i n gm o d e t h em a x i m a lt e n s i l el o a dw a sd e p e n d e do nt h ec o n t e n t o ft h i c kf i b e ri ns a m p l e s t h es a m p l e ，w i t ht h ep r o p o r t i o nb e t w e e nt h i c ka n dt h i nf i b e ra s 1 ：3 ，h a dal e s se l a s t i cm o d u l u s 。h i g ht e n s i l es t r e n g t ha n dg o o df l e x i b i l i t y t h ef i e x u r a l p r o p e r t yo fs a m p l e sh a dt h eo r d e r ：t h i c kf i b e ri n t e r w e a v e t h i c ka n d t h i nf i b e ri n t e r w e a v e ( 1 ：3 ) t h i c ka n dt h i nf i b e ri n t e r w e a v e ( 1 ：5 ) t h i nf i b e ri n t e r w e a v e t h e s es a m p l e sw i t h 浙江理工大学硕士学位论文 g o o dd e f o r m a t i o np r o p e r t yc a ne f f i c i e n t l ya v o i dr u p t u r ea n dd e v a s l a t i n gd e l a m i n a t i o n c o m p a r e dw i t ht h et h i nf i b e ri n t e r w e a v e ，t h et h i c kf i b e ri n t e r w e a v es a m p l eh a dah i g h e r f l e x u r a ls t r e n g t h m o r e o v e r ，t h es a m p l ew i t ht h et h i c ka n dt h i nf i b e ri n t e r w e a v e ( 1 ：3 ) b a s e do nn e t w o r kt e n d o ns t r e n g t h e n i n gc o m p o s i t em a t e r i a l ，h a dt h eb e s tc o m b i n e d p r o p e r t y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es a n d w i c hp a n e lw i t hc o l u m e l l a sa n dp a n e l sh a dm o r e p r e f e r a b l em e c h a n i c a lp r o p e r t yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls a n d w i c hp a n e l s t h e s en o v e l s a n d w i c hc o m p o s i t em a t e r i a l sw i l lb eu s e dw i d e l yt oc o r r e l a t i v ei n d u s t r i e sa n dd a i l yl i f e t h en e t w o r kt e n d o ns t r e n g t h e n i n gc o m p o s i t em a t e r i a l sc a nb eu s e dp o t e n t i a l l yt ot h e s e f i e l d s i n c l u d i n gt r a n s p o r t a t i o n e n e r g ys o u r c e sa n d c h e m i c a l i n d u s t r y , w h i c hc a n e c o n o m i z et h er a wa n dp r o c e s s e dm a t e r i a l s ，b r i n gi n t op l a yt h eh i g hs t r e n g t hy a r n s ，a n d h a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h tw e i g h ta n dh i g hs t r e n g t h k e y w o r d s ：s t r u c t u r eb i o n i c ，e l y t r ao fb e e t l e ，c o l u m e l l i f o r ms a n d w i c h ，n e t w o r kt e n d o n ， m e c h a n i c a lp r o p e r t y i i i 渐江莲工大学学揎论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于， 不保密日。 学位做作者繇了狠 指导教师橼 日期：少。锌媚7 日 磁 日期：加绰腑7 日 街江蓬工大学学位论文原刨性声鞠 本人郑重声明：我恪守学术道德，岩尚严谨学风所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果除文中已昵确注明和 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及 成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声 明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名；了丽餐 日期；如绰朗7 日 浙江理工大学硕仁学位论文 1 1 复合材料概述 第一章绪论 随着科学技术的进步。对材料的性能也提出了更高的要求，如对结构材料，要求材料 具有更高的强度、模量，更低的密度等。当单一材料无法满足现代科学技术发展的要求时， 在材料的设计上，可以考虑“扬长避短”，充分利用材料各自的长处，相互配合，就可研 究开发出一类新型的材料，这类材料即为复合材料( c o m p o s i t e sm a t e r i a l ) 。 复合材料是由两种或两种以上的单一材料，用物理的或化学的方法经人工复合而成 的一种材料。复合材料可以保留组分材料的主要优点，克服或减少组分材料的许多缺点， 还可以产生组分材料所没有的一些优异性能和弱点。通常是使高强度、高模量、脆性的增 强材料和低强度、低模量、韧性的基体材料经过一定的成型加工方法制成复合材料。复 ll 麓袅材料 复卜按基体材料的种类分7 - 嚣蓠嚣簇料 合i i i 譬基复陶瓷合材料 材l 混凝十：基复合材料 登l 按用途分一结构复a 午才料 尊l 一一功能复合材料 浆l 厂一颗牲增强 罗e 卜一按增强材料的种类分j 品须增强卜一按增强材料的种类分一曲烈i l ! ! f 蚀 l誓篆蒹， l 按基体材料的种类分 一维( 纤维状) 图卜1 复合材料的分类 复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断发展的结果，也是材料设计方面的一 濒江理1 = 大学硕j ：学位论文 个突破。由于复合材料是把金属、无机非金属、高分子、织物等材料组合起来的一种多相 材料，它的设计自由度很大，不仅可在组分选择上调整，还可以改变各组分的体积百分数 以满足所需的性能要求。这样就可使复合材料具有轻质高强以及其它的优越的综合性能 ”1 0 目前，复合材料已广泛地应用到飞机、火箭、卫星、汽车、火车、赛车、舰艇制造等 各个工艺领域中，品种已达l o 万余种。随着复合材料科学的进一步发展，复合材料理论 研究的不断深入、成本的不断降低、工艺的不断完善、设计水平的不断提高，必将迎来一 个规模化的复合材料时代。可以预言，如果用材料作为历史分期的依据，那么未来的2 1 世纪将是复合材料的时代。 1 2 结构复合材料 从图卜1 上可知，复合材料按用途主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。 功能复合材料主要具有除力学性能以外的特殊功能，例如摩阻复合材料，隐身吸波复合材 料，多功能( 如耐热、透波、承载) 复合材料，高性能防热复合材料，阻尼复合材料，压电 复合材料，磁性复合材料，导电复合材料，生物功能复合材料等。利用复合材料的各种良 好力学性能用于制造结构的材料，称为结构复合材料，它主要由基体材料( 如树脂、金属， 陶瓷、玻璃、碳和水泥等) 和增强材料( 如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、 织物、晶须、片材和颗粒等) 两种组分组成。其中增强材料主要提供复合材料的刚度和强 度，基本控制其力学性能；基体材料固定和保护增强纤维，传递纤维间载荷，并可改善复 合材料的某些性能。结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、 陶瓷复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等1 。 丽在众多的复合材料种类中，结构复合材料可根据材料在使用中受力的要求进行组元 选材设计，更重要的是还可以进行复合结构设计，即增强体排布设计，能合理地满足需要 并节约用材。它以比强度和比模量高、力学性能可以设计、抗疲劳性能良好、减震性、材 料安全性好、成型工艺较简单等特点脱颖而出。结构复合材料的性能很大程度上取决于 增强骨架的结构和加工方式。好的增强骨架结构不仅能承受多种载荷，同时也有助于在加 工中稳定几何构造，因此研究开发新兴增强骨架的必要性十分重要，同时这也是本课题的 研究出发点。 地球上的生物材料几乎都是复合材料，而且生存下来的生物大多数都符合环境的要 求，并成功地达到了优化水平。一些天然生物材料具有人工合成材料无法比拟的优异的一 些力学性能，因此我们希望通过仿照生物材料的结构来开发一些具有高性能的增强骨架结 2 浙江理工大学硕 学位论文 构。 1 3 结构仿生材料 仿生学就是通过研究、学习、模拟来复制和再造某些生物的特性和功能以提高人类适 应和改造自然的能力。仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为，为工程技术提 供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是- - 1 7 生命科学、物质科学、数学、 力学、信息科学、工程技术以及系统科学等的交叉学科。 仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、 构效关系，进而研发出类似或优于原生物材料的- - 1 7 新兴科学，是化学、材料学、生物学、 物理学等学科的交叉。人类研究仿生决不是简单的模仿，而是学习自然界生物精妙结构后 的再度升华。仿生材料学自诞生以来即获得了迅速的发展，特别是美日等发达国家近年来 更是投入了大量的资金和人力抢先开展多方面的研究和产品开发，获得了惊人的进步例 如，在天然生物的层状结构特征及其仿生材料和非层状结构特征及其仿生材料的研制方 面，以及动物的皮毛状结构及其仿生设计方面都有许多成功的范例0 1 。 目前，仿生材料研究的主要内容和动向包括材料的结构仿生、材料的过程仿生以及材 料的功能仿生等。入们早已意识到某些生物体如蜘蛛、鲍鱼等能在温和的自然环境下合成 与制造出人们需要在高温、高压等条件下才能合成的材料m 。材料的过程仿生就是受此启 发而进行的仿生温和制备过程。材料的功能仿生主要体现在生物传感器、生物芯片和化学 一力学一体化功能等方面。国内在生物的结构仿生方面也己开展了较多工作”1 ，主要包括树 根在土壤中加固效应的分形树纤维增强效果和仿骨头结构的哑铃状晶须增强效果的研究、 仿竹表皮中竹纤维的仿生螺旋增韧作用的研究、仿一些昆虫结构的复合材料的研究等等。 下面就主要介绍结构仿生复合材料的研究情况。 结构仿生是研究生物体不同结构层次( 微观、细观、宏观) 的形态以获得灵感，进而对 材料、结构、系统进行仿生模拟，提高工程结构效率的一门学科。结构仿生涉及生物学、 材料学、结构设计、控制科学、空气动力学和系统工程等工程科学，属于跨学科硪究领域。 早期的结构仿生，往往从模拟生物外形开始，如模仿鱼的外形设计船只，模仿鸟类设计飞 行器，典型例子如模仿蜂窝结构特点制作的工程蜂窝结构材料，具有质量轻、强度和刚度 大、隔热和隔音性能好等特点，现已被广泛用在飞机、火箭和建筑结构上”。近年来在贝 壳珍珠层、蛛丝结构、毛竹外密内疏结构、木材的年轮结构、植物的根部网状结构、骨骼 哑铃型结构、昆虫表面结构等天然材料的结构特征及其相应的仿生材料研究取得了很大的 3 浙江理t 大学硕士学位论文 进展，结构仿生材料在工业与生活中的应用越来越广泛。1 。 1 3 1 贝壳珍珠层的叠层结构及其仿生复合材料 自然界中贝壳珍珠层的微观结构是一种叠层结构。研究发现，贝壳珍珠层的侧面形貌 类似于砖墙结构”，是由一层层超薄的霰石芯片通过几十纳米厚的有机蛋白质基体相连 ( 如图卜2 ) 。霰石芯片约占体积的9 5 ，有机物只占5 ，但这5 的有机物引起了贝壳珍 珠层力学性能的巨大变化。纯粹的霰石芯片很脆，而珍珠层却兼具霰石芯片的强度与有机 质的韧性。图卜3 是断裂形貌，可以发现裂纹曲折扩展，这是因为发生断裂时裂纹扩展 图卜2 贝壳珍珠层 图i - 3 贝壳珍珠层的断裂形貌1 到有机质层处受阻，并且沿霰石有机质界面发生频繁转折。这大大增加了断裂功与断裂 韧度。因此多相材料的交替迭层造成裂纹无法在界面处穿透扩展而发生转折，这是珍珠层 高韧性的主要原因“。将层状复合的结构特点应用于复合材料的设计中，在高强、高硬的 铝合金基体层间引入具有良好韧性、抗冲击性的树脂材料，并在树脂材料中加入纤维以增 强复合材料，制备了纤维树脂铝合金叠层复合材料。结果表明，该种复合材料具有良好 的层间性能，可望在汽车、航空航天等行业推广应用。 1 3 2 蛛丝结构及其仿生材料 蜘蛛丝具有极好的机械强度，其强度远高于蚕丝、涤纶等一般纺织材料，刚性和强度 低于k e v l a r 和钢材，但其断裂能位于各纤维之首，高于k e v l a r 和钢材；与人造纤维相比， 它不需要高温和腐蚀性溶剂，蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类和环境都是友好的； 蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量，是人们已知的世界上性能最优良的纤 维。此外，蜘蛛丝还具有信息传导、反射紫外等功能。这些卓越的性能与结构的特异性是 密不可分的。蜘蛛丝的基本组成单元是氨基酸，尽管不同腺体分泌出的丝以及不同种类的 蜘蛛丝氨基酸的组成存在较大的差别，但所有的蜘蛛丝最重要的组成单元均为甘氨酸、丙 4 浙江理工大学硕上学位论文 氨酸和丝氨酸“3 圳。在分泌带有粘性物质的集合状腺体中含有大量的碱性氨基酸，与蚕丝 不同的是蜘蛛丝中含有较多的谷氨酸、脯氨酸等大侧基的氨基酸。在蜘蛛丝中含结晶区和 非结晶区，结晶度约为蚕丝的5 5 6 0 z 5 , 1 6 o 图1 - 4 ( a ) 所示为蜘蛛丝的一种分子结构模 型“”，其中的黑色方块表示结晶区( 图卜4 ( b ) ) ，结晶区主要有聚丙氨酸链段，为b 折叠链， 分子链或链段沿着纤维轴线方向呈反方向平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片， 栅片之间的距离为0 9 3 1 5 7n t n 。非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的大 图卜4 蜘蛛丝结构模型 侧基氨基酸组成。侧基较大，且其中含有活性基团，不利于肽链的整齐排列而形成非结晶 区。在非结晶区，大分子多呈b 螺旋结构。由于结晶区主要由小侧基氨基酸链段组成，氨 基酸之间以氢键结合，因而分子间的作用力很大，沿纤维轴线方向排列的晶区使纤维在有 外力作用时有较多的分子链承担外力作用，故蜘蛛丝具有很高的强度蜘蛛丝良好的弹性 被认为是对非结晶区的贡献。非结晶区的分子链里b 转角状，当受到拉伸时可能形成b 转 角螺旋，从而使蜘蛛丝具有良好的弹性。 n r d e c ( n a t i c kr e s e a r c hd e v e l o p m e n t e n g i n e e r i n gc e n t e r ) 从2 0 世纪6 0 年代起就 是仿制蛛丝的发起者，它们的研究结果表明：蛛丝的坚韧性使其适合于做高级防弹衣。现 在防弹衣是用1 3 层k e l v a ri i 制成的，但是蛛丝的坚韧性是k e l v a ri i 的3 倍，其超级伸 长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效的减速，起到很好的消 力作用“”。d u p o n t ( c a n a d a ) 公司发现山羊乳液中所含的奶蛋白同蜘蛛的丝蛋白生产模式相 同，他们将蜘蛛丝蛋白质生产的基因移植到山羊的乳腺细胞中，从山羊的乳液中提取出类 似蜘蛛丝的可溶性蛋白，成功的研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术，开发出新一代动物纤 维因其质轻，强度优于钢材，弹性优于尼龙，被誉为生物钢材。同时，美国陆军的n a t i c k 研究所以及杜邦公司也就蜘蛛丝的分子结构和力学特性进行了大量研究工作n a t i c k 正 在利用d n a 合成技术对合成蛛丝进行研究“”。我国也已经对此展开研究啪1 。 雾 -fp，、如“氓 口 、ip，-l舔 、 浙江理工人学硕i 二学位论文 1 。3 3 骨骼的哑铃状结构及其仿生复合材料 动物长骨的外形特点为两端粗大，中间细长，从骨端圆滑地过渡到中部，不会出现应 力集中长骨两端粗大，可以减缓压应力的冲击，有利于应力传递；还可与肌肉相互配合， 使物体持重比提高。”马和中提出，凡是骨中应力大的区域也正好配上强度高的区域。作 为外形不规则，内部组织分布又很不均匀的骨结构是一个理想的等强最优结构，密度大和 强度高的材料配置在骨结构中的高应力区。对这一现象合理的一个解释是骨的功能适应 性理论把骨看成具有反馈装冠的控制系统。在外力作用下，骨以合适的截面承受外力， 如外力增加，截面上与之平衡的压力也相应增加，增加后的应力刺激了骨，使它内部组织 发生了两方面变化，一是截面积增大，二是截面上单位面积抗载能力增强，这就保证能在 新情况下抵抗外力。 受此启发，把短纤维设计成“哑铃状”，类似的形状则统称为哑铃型。理论计算得到 图1 - 5 仿哑铃状纤维模型 端球半径与纤维长度的最佳比值o ”。理论分析证明这种短纤维的增强效果比平直纤维的增 强效果好，并已被实验证实1 。同时，具有哑铃形状的晶须制备亦已取得了初步进展。平 直晶须和哑铃型仿生晶须增强聚氯乙烯复合材料的微观结构和力学性能，结果表明，与平 直晶须s i c 相比，哑铃型仿生s i c 晶须在提高复合材料强度的同时还成倍提高其延伸率， 且其增强、增韧效果对于复合材料中的界面结合情况不敏感嘲1 胡巧玲等”利用原位沉析 法制备了可吸收壳聚糖羟基磷灰石复合的仿骨结构的骨折内固定材料，不仅外形为哑铃 形结构，而且可降解吸收、释放出酸根磷和钙离子，弯曲强度为6 7 8m p a ，弯曲模量为 3 3 g p a ，剪切强度为2 1 2m p a ，压缩强度为4 7 8m p a ，均比人的自然骨高2 3 倍，有望 代替金属的骨折内固定材料，避免患者二次手术之苦。3 。 1 3 4 竹子的结构及其仿生复合材料 竹子的整体结构是一个由基部向上逐渐递减的圆锥形空心结构，每隔几厘米至几十厘 米有一个竹节，由节的横隔壁组成一个纵横关联的整体( 如图卜6 ) ，这对中空细长的竹竿 6 浙江理工大学硕上学位论文 的刚度和稳定性起着重要作用。带节的竹竿与不带节的竹筒相比，其抗劈开强度和横纹抗 拉强度分别提高了1 2 8 3 和4 9 1 。节子处由于维管束方向不与纵轴平行，抗拉强度 有所下降，但此处组织膨大，使抗拉截面加大而保证了在外力作用下不在节子处破坏。 图卜6 竹节的宏观照片 对竹材的进一步研究发现，竹材的表层( 竹青) 的高强度和高韧性主要是竹纤维结构的 优越性所致。竹纤维的精细结构包含多层厚薄相同的层，每层中的微纤丝以不同升角分布， 与纤维的交角通常厚层微3 1 0 0 。，薄层微3 0 4 5 0 。不同层面的界面内的升角逐渐的变化， 意昧着可以避免几何和物理的突变，因而相邻层面的结合可以大为改善。同时，外层厚 度的增加使竹材正向刚度有少量降低，但切向刚度会大幅度增高。竹材的空心桂、竹纤维 层状排列、不同层面的界面内竹纤维升角逐渐变化的结构恰是功能适应性原理决定的这 对复合材料的设计具有积极的指导作用。 根据毛竹外密内疏的结构特性，孙守金等汹 用连续电镀法在碳纤维上镀f e ，n i ，制备 了镀c u f e ，c u n i 的双层碳纤维，用它们分别制备了c f c u - f e ，c f c u - n i 复合材料，与 竹杆中纤维的体积分数( v ，) 相近的c f c u 复合材料相比，这种新型的复合材料的弯曲强度 和导电性能都有显着的提高；刘文川等啪1 制备t s i c 包裹碳纤维的梯度基复合材料，发现 这种材料密度低，力学性能优良和抗氧化功能突出；而杜金红娜1 则在气相生长纳米碳纤维 表面化学镀镍，并对它的微观结构进行了研究；同时，清华大学的学者依据竹材中微纤维 别具特色的层次结构，提出仿生的纤维双螺旋模型，实验表明其压缩变形的比普通纤维的 提高3 倍o ”。 1 3 5 昆虫表面结构及其仿生复合材料 昆虫是一类经历了数十万年的环境变迁的古老物种，各种昆虫在与自然的竞争中逐渐 7 浙江理t ，大学硕士学位论文 进化出了各种特殊的表面结构，在昆虫的身上既有能够保护躯体的高强度结构，又有能够 适应飞行需要的轻量型结构，还有能够使其附着于各种光滑表面的摩擦结构。这些结构和 它们特殊的性能长期以来都受到众多学者的关注，因此，昆虫也一直是结构仿生研究的热 点。 g s w a t s o n 等1 利用原子力显微镜( a f m ) 研究了蝉和白蚁翅上的六角形有序微结构 阵列。这些微结构阵列之间的间隔在2 0 0 1 0 0 0 n m 之间，结构单元顶部的圆形突起高度一 般在1 5 0 - - 3 5 0 n m 左右。实验显示间隔较小的微阵列结构对昆虫表面的光反射性能和自清洁 性能有优化作用，而间隔较大的微阵列结构则对昆虫外壳的机械强度和空气动力学性能有 优化作用。v i n c e n t 等m 1 则对昆虫表皮的硬度、强度、韧性等方面进行了研究，并提出了设 计具有这些特性的仿生纤维复合材料的方案。而s n g o r b 等1 通过对各种昆虫的大量实 验研究证明昆虫能够在垂直的光滑表面活动与其特殊的表皮结构有着紧密的联系，表皮 的附着原理也随结构的不同而不同，常见的附着结构大致可分为钩、锁、夹、垫、吸盘、 膨胀锚、粘性分泌物、摩擦等8 种。这些对昆虫表面结构的研究为进一步设计开发仿生结 构，制备具有类昆虫表面结构的材料表面奠定了基础。 昆虫翅经过几亿年的进化，演变为今天设计相当巧妙的、能够适应各种特技飞行的形 态，对其生活史的延续和物种的繁衍起着相当重要的作用。昆虫是通过拍动其翅冀获得空 气动力使其不致下坠。昆虫的角皮是一种超级的天然复合材料。有些昆虫的翅膜其厚度只 有l l x m 左右，然而却能经受住昆虫在飞行中产生的强大升力啪1 。鞘翅目昆虫是早期出现的 动物，在它的长期进化过程中，由于适应复杂多变的环境，形成了适应其环境的极优化的 结构。鞘翅为这类昆虫的鞘翅，孥硬如角质，不用于飞行，主要用来保护背部和起主要飞 行作用的后翅啪1 。而且鞘翅目昆虫是动物界种类最多的一个种群，约占3 l ，这意味着鞘 翅目昆虫的外骨骼和鞘翅是最重要的自然结构材料，也是最主要的仿生对象。下面就主要 介绍甲虫鞘翅结构及其仿生复合材料的研究现状。 t 4 甲虫鞘翅结构及其仿生复合材料 t 4 1 甲虫鞘翅结构 甲虫鞘翅和外骨骼主要由几丁质纤维和蛋白质组成。几丁质是一种类似于纤维素的纤 维状含氮多糖，基体主要来源于各种蛋白质和其它生物和非生物材料。几丁质和蛋白质都 由碳、氢、氧、氮4 种元素组成。几丁质通常占外骨骼干重的2 5 4 0 ，蛋白质占5 0 以 浙江理丁大学硕上学位论文 上，并有几丁质蛋白质复合物、脂类、色素、酶、无机成份和水等。结构分析通常采用 几丁质蛋白质两相模型”1 。几丁质长链状分子首先交联在一起，形成直径约2 g r i m 的几 丁质原纤维，这些原纤维可直接被蛋白质粘合，也可被粘合成直径为2 7 9 m 的几丁质纤 维。几丁质原纤维或几丁质纤维相互平行地粘合在一起，构成一个单向的层片、多层单向 层片或呈相同方向、或正交、或单螺旋旋转、或双螺旋旋转、或随机地进行铺层、迭合， 形成昆虫鞘翅。与人造复合结构的涂层类似，蜡和脂质存在于鞘翅的外部，形成环境屏障。 外表可具有突出物或衍生物、传感器等精细结构，如作为传感器的感觉毛，呈纤维状向外 伸出，向内通过毛细胞与神经轴突相连。在这种典型的复合材料中，传递信息的管道与体 表垂直，传递物质的管道则或与体表垂直或螺旋状上升。 图卜7 昆虫外骨骼构造图 2 0 世纪9 0 年代，向春庭啪1 对鞘翅目昆虫鞘翅的各级结构和力学行为进行了深入研究。 发现昆虫鞘翅是一个厚度不匀的双曲率壳，该壳采用夹芯的一级细观结构，芯层可采用横 隔、纵隔、蜂窝、钉扎等多种夹芯形式。其中蜂窝结构的相邻壁板间有纤维架空桥联；钉 扎采用双喇叭结构，喇叭的壁是成层迭就的。陈斌等对昆虫蝉和金龟子的外甲壳的细微结 构进一步作了研究，取得了相似的结果。 陈锦祥等对犀金龟和锹甲鞘翅的微细构造进行了研究，发现在犀金龟鞘翅内部为带柱 的网状构造。此种构造通常在一个蜂窝上有1 2 根小柱，每个蜂窝上小柱根数和蜂窝的大 小有关，小柱主要分布于蜂窝的角落上。对小柱微细结构进一步研究发现，与甲虫鞘翅上 下层相连的小柱，其形状和尺寸的大小因甲虫种类而异。不过，和以往认识不同的是，两 种甲虫鞘翅的小柱具有类似的结构，它们均为非中空的实柱，并由中心部和环状的几丁质 纤维层构成。其中心部主要是溶解于k o h 溶液的物质( 蛋白一类的物质) ，环状纤维层中 的几丁质纤维，在层与层之间相互不同的方向排列着，并各自与鞘翅的上下层中的几丁质 9 浙江理工人学硕士学位论文 纤维连续地连接着且是弯曲的，小柱呈两维分布。这种小柱构造对层状纤维增强复合材料 而言，是一种非常巧妙的、可有效地提高复合材料抗剥离性能的生体构造。一。 1 4 2 甲虫鞘翅仿生复合材料的研究现状 有关甲虫鞘翅结构仿生学材料开发的研究。大部分着眼于纤维的排列方式上，如纤维等 角度排列的仿生复合材料的力学特性，带小圆孔的双重螺旋结构的仿生复合材料的损伤允 许极限，带小圆孔的仿生复合材料等。 在对昆虫外骨骼的研究中发现，在表皮观察到的孔洞的形状是与周围的表皮材料同时 形成的从而使这些纤维保持连续性，即纤维没有断头而紧挨孔边绕过。与其相比较，增强 复合材料孔洞结构是在部件做好后再钻孔或冲孔形成，从而损伤的纤维在孔洞的周边造成 很大的应力集中。g u n d e r s o n 用单向预浸料使用普通的复合材料加工方法做成预成形孔洞 的样品织物，用实验比较了钻孔和预成形孔洞对增强复合材料层合板的极限强度和抗破坏 性能的影响。结果显示，预成形孔洞样品比钻孔样品在孔洞的区域其极限强度、抗破坏性 能和硬度都有显着的提高，提高强度达3 9 。预成形孔洞对减少应力集中的作用也是明显 的。它有能力在低负荷水平下阻止垂直基体裂缝通过孔洞。预成形孔洞有复杂的破坏机理， 其中“孑l 洞拉拨”破坏模式有助于提高强度和抗破坏性能，韧性也有提高“”。 重庆大学的陈斌等“2 3 以蝉和金龟子的外甲壳为研究对象，利用光学显微镜和扫描电子 显微镜对其细观结构进行了观察研究，探索了昆虫外甲壳细观结构和其宏观力学性能的关 系。通过扫描电子显微镜的观察发现，甲虫外壳是一种层状复合材料，埋置于蛋白质基体 中的单向几丁质纤维平行于外甲壳表面整齐排列并与蛋白质基体粘合组成薄片铺层。这些 铺层的构成形式随所在部位的不同而不同，其中最为特别的是双螺旋铺层结构和纤维绕孔 铺层结构，这两种结构与昆虫外甲壳的力学性能有直接的关系。在这一结论的基础上他们 用玻璃纤维和环氧树脂制备了仿生铺层复合材料，实验证明这种仿生铺层复合材料比常规 铺层复合材料有更高的强度和断裂韧性。 陈锦祥等“3 1 “1 为了设计开发轻量型仿生复合材料，以独角仙成虫和锹形虫前翅为研究 对象，利用电子显微镜观察了两种甲虫前翅结构上的异同，研究表明独角仙虫和锹形虫的 前翅均为具有以小柱为中空层的夹芯层状三合板结构这种结构是一种轻量型的复合板材， 同时小柱中的纤维通过大于9 0 0 弯曲与上层及下层中的纤维连续相连接，可以有效地提高 层状纤维强化复合材料的层间抗剥离性能。在此基础上他们还制得了甲虫前翅及其小柱结 构的简易模型，为进一步设计甲虫前翅结构的仿生材料打下了基础。本文就是在此基础上 1 0 浙江理工大学硕上学位论文 对甲虫前翅结构进行了进一步的材料仿生设计。 1 s 本文研究的内容及意义 有关甲虫前翅的外观构造，主要由几丁质( c h i t i n ) 纤维及蛋白质( p r o t e i n ) 等组成，及其 几丁质纤维的层与层之间纤维的排列方向是以螺旋的方式变化着的结构等，早已有较多的 报导。但在早期，甲虫前翅被认为是一种已经是没有生命力的物质，也很可能是这个原因， 对前翅的三维结构研究还很不充分，已有的报导往往多限于外观及其二维水平上。因此， 有关甲虫前翅在材料、结构上的仿生学研究往往着眼于纤维的排列方式等二维水平。本研 究通过对多种甲虫前翅的彻底解剖全面系统地考察了前翅的三维直体结构，并对其中的 部分结构进行了力学实验及解析，初步探明了甲虫前翅确实具有优秀的力学特性。 1 5 1 本文的内容及采取的方法 为此，本课题始终围绕着如何有效、可行地模拟甲虫鞘翅结构的基础上，建立中空、 小柱夹层的复合材料模型，原料为树脂与玻璃纤维，与其它的结构( 层状复合材料、无预 成型孔的孔洞复合材料等) 复合材料模型进行力学性能比较，探索这种三维结构的优化设 计。主要包括以下几个方面的内容： 1 ) 利用手糊成型建立甲虫前翅结构仿生复合材料的材料结构模型，并对这种结构模 型进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能的测试。 2 ) 甲虫前翅表皮的空洞，并没有把纤维打断，而是其纤维紧挨孔边绕过，与其相比 建立其它几种结构的复合材料模型，如小柱与面板之间没有纤维相连，仅依靠粘 合作用撑起的中空复合材料模型、层状复合材料模型等，对这些不同结构进行力 学性能比较，为开发设计新型复合材料提供理论根据。 3 ) 对0 0 0 0 和0 0 9 0 0 两种铺层形式的面板结构进行力学性能分析，采用扫描电镜复合 材料的接口以及纤维束树脂的渗透情况进行观察分析，并对其断裂、剥离、拉伸 等接口进行观察分析。 4 ) 设计网络筋增强结构复合材料。并对材料进行力学性能测试，得到合适配比，获 得性能优越的网络结构复合材料。 1 5 2 本课题的研究意义 随着现代工业的飞速发展，人类的科学技术日益进步。传统材料已很难满足人类生产 l l 浙江理工大学硕士学位论文 和生活的需要，尤其是在航空航天、船舶等高科技领域内。在这些领域中需要的是具有轻 质高强、高比模量、高比强度等性能的新型材料。自从二十世纪四十年代低密度的“芯” 用于复合材料以来，夹芯材料的在这些领域中以其优异的性能发挥着重要的作用。夹芯材 料是用低密度的芯材来降低重量，具有相同载荷能力的夹芯结构要比实体的层状结构要轻 好几倍。芯材还能对整体强度起加强作用，降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加 耐热、抗疲劳和防火性能等“。由于这些优异的性能使得世界各国对这种材料的研发 越来越重视。 本次课题模仿甲虫前翅的结构研制了几种不同结构的复合材料夹芯结构以及粗细交 织的网络结构复合材料层板。 上述研究内容的开展，使本课题具有以下意义： 1 ) 随着人类对自然认识的深入和研究手段的进步，仿生学经历了从功能模拟到结构 仿生，研究具有甲虫前翅结构夹芯板的结构设计方法，生产工艺和相关条件下的仿生力学 模型，会对仿生材料在应用领域的发展具有积极意义。 2 ) 在明确了甲虫前翅微观结构的基础上，可以根据这种小柱夹层结构进行复合材料 的结构设计，最终达到优化复合材料结构、性能的目的。复合材料柱状仿生夹芯结构与其 它结构的夹芯结构的材料相比具有更大的潜力和优势。因其各种力学性能都较好，研究这 种材料的性能必将对我国的经济建设和我国高性能夹芯板的研发起到积极的作用。 3 ) 根据网络筋增强结构复合材料的结构设计，