第八章仿生复合材料二

1、仿生复合材料层状结构层状结构 螺旋纤维结构螺旋纤维结构 分形树状纤维结构分形树状纤维结构 仿骨哑铃状纤维结构仿骨哑铃状纤维结构 骨替代材料的化学仿生骨替代材料的化学仿生骨替代材料必须具有细胞载体框架结构，可控制的非均质多微孔连通结构以及具有结构梯度和材料分布梯度。其中最具有代表性的是羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（-TCP和-TCP）。用磷酸钙生物陶瓷制备Ca-P防骨的合成路线：仿生结构陶瓷复合材料的高韧性的原因仿生结构陶瓷复合材料的高韧性的原因裂纹偏转裂纹偏转裂纹分叉裂纹分叉裂纹桥连裂纹桥连拉伸强度氧化铝纳米线阵列f硅油，g原油样品样品拉伸强度拉伸强度/MPa伸长率伸长率/%PVC片25.9-

2、平直晶须增强PVC片50.38仿生碳化硅晶须增强PVC片31.535.8表 8-1 PVC和碳化硅晶须增强PVC（氯乙烯）的拉伸性能氧化锌四脚晶须形貌 国内外皆有制备螺旋状碳纤维的报道，但制备过程均很复杂，且耗时、价高、困难。一般在用纤维束制作预浸带之前，先将纤维束加捻，使其成螺旋状，再按常规方法制成预浸带。 现在最新方法是采用大电流脉冲定型方法，仅用1ms脉冲处理，即可将纤维定型为螺旋状，而且可以反直。纤维材料采用PAN基T300型纤维，每束纤维单丝约3000根，单丝一般直径为68m，根据仿竹双螺旋模型，设计内、外纤维分别处理后缠绕的工艺方法，对于外层纤维，采用加捻技术并经电流脉冲处理定型，

3、对于外层螺旋纤维，利用缠绕工艺再经一定的电流脉冲处理定型，然后把外层螺旋纤维缠绕到加捻的纤维上，这就制得了双螺旋纤维。4、碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤维螺旋的制备新方法1、粉体合成 脂质体中的颗粒生长 水包油或油包水醇盐水解得到氧化物粉体 模版法形成模型腔注入煅烧2、块体材料高韧性陶瓷材料的仿生结构材料设计要点高韧性陶瓷材料的仿生结构材料设计要点 v材料体系的选择和优化材料体系的选择和优化 基体和界面层的选择要考虑到基体和界面层本身的性质基体和界面层的选择要考虑到基体和界面层本身的性质（如弹性模量、热膨胀系数、强度、韧性等）、二者之（如弹性模量、热膨胀系数、强度、韧性等）、二者之

4、间的物理、化学相容性，性能匹配性等。间的物理、化学相容性，性能匹配性等。陶瓷基体的选择：陶瓷基体的选择： 陶瓷基体一般选用高强的结构陶瓷材料，在承载过程陶瓷基体一般选用高强的结构陶瓷材料，在承载过程中可以承受较大的应力，并具有较好的高温力学性能，中可以承受较大的应力，并具有较好的高温力学性能，才能保证材料的正常使用。目前研究中采用较多的是才能保证材料的正常使用。目前研究中采用较多的是SiC、Si3N4、Al2O3和和ZrO2等为基体材料，等为基体材料， v 要选择具有一定要选择具有一定强度强度，尤其是高温强度的材料，才能保证常，尤其是高温强度的材料，才能保证常温下的正常应用以及高温下材料不发生

5、太大的蠕变以至瘫温下的正常应用以及高温下材料不发生太大的蠕变以至瘫塌塌v 界面分隔层要与结构单元具有适中的界面分隔层要与结构单元具有适中的结合结合，既要保证它们之，既要保证它们之间不发生反应，可以很好地分隔结构单元，使材料具有宏观间不发生反应，可以很好地分隔结构单元，使材料具有宏观的结构，又要保证可以将结构单元适当地的结构，又要保证可以将结构单元适当地“粘接粘接”而不发生而不发生分离。分离。v 界面层与结构单元有合适的界面层与结构单元有合适的热膨胀系数差热膨胀系数差，使得材料中的热，使得材料中的热应力应力不会造成材料的破坏。不会造成材料的破坏。v 在界面分隔材料的选择中，处理好分隔材料与基体材

6、料的结在界面分隔材料的选择中，处理好分隔材料与基体材料的结合状态以及合状态以及配比状态配比状态尤为重要，它将直接影响材料的宏观结尤为重要，它将直接影响材料的宏观结构所起作用的程度。构所起作用的程度。 界面分割材料的选择原则：界面分割材料的选择原则：v制备技术和工艺参数的确定制备技术和工艺参数的确定 根据仿生结构陶瓷的结构特点，选择合适的根据仿生结构陶瓷的结构特点，选择合适的制备工制备工艺艺（成型、涂覆、烧结等），优化工艺参数。如纤维独（成型、涂覆、烧结等），优化工艺参数。如纤维独石结构陶瓷复合材料可采用挤制成型的方法成型基体纤石结构陶瓷复合材料可采用挤制成型的方法成型基体纤维，而层状结构陶瓷可

7、采用轧膜成型或流延法成型制备维，而层状结构陶瓷可采用轧膜成型或流延法成型制备基体陶瓷片层。界面层的涂覆工艺、排胶和烧结工艺都基体陶瓷片层。界面层的涂覆工艺、排胶和烧结工艺都根据具体材料体系的不同而定。根据具体材料体系的不同而定。 v结构参数的优化结构参数的优化 基体和基体和界面层界面层的强度、弹性模量、热膨胀系的强度、弹性模量、热膨胀系数、界面结合状态等对仿生结构陶瓷的力学性能数、界面结合状态等对仿生结构陶瓷的力学性能有着明显的影响，如其有着明显的影响，如其强度强度主要是由陶瓷基体层主要是由陶瓷基体层的强度决定，而高的强度决定，而高韧性韧性主要是由界面层对裂纹的主要是由界面层对裂纹的偏折偏折决

8、定，因而与界面层的基本性质有关。决定，因而与界面层的基本性质有关。 v几何参数的优化几何参数的优化 仿生结构陶瓷主要由结构单元和界面层组成，仿生结构陶瓷主要由结构单元和界面层组成，二者的几何尺寸也明显地影响了力学性能。几何二者的几何尺寸也明显地影响了力学性能。几何参数主要包括结构单元尺寸参数主要包括结构单元尺寸( (纤维直径、层片厚纤维直径、层片厚度等度等) )、结构单元排列方式（如纤维排布角）、结构单元排列方式（如纤维排布角）、层数、层厚比等。层数、层厚比等。 （1）仿竹木纤维结构的纤维独石结构陶瓷复合材料）仿竹木纤维结构的纤维独石结构陶瓷复合材料 例子：仿生结构陶瓷复合材料的制备工艺例子：

9、仿生结构陶瓷复合材料的制备工艺制备工艺主要包括几个环节：制备工艺主要包括几个环节：v 基体纤维的成型（纺丝法、挤出成型等方法）基体纤维的成型（纺丝法、挤出成型等方法）v 界面层的涂覆（浸涂和喷涂）界面层的涂覆（浸涂和喷涂）v 纤维的排布纤维的排布v 烧结（热压烧结）等烧结（热压烧结）等原料、添加剂原料、添加剂球磨混合球磨混合干燥过筛干燥过筛轧膜练泥轧膜练泥陈陈 腐腐粘合剂粘合剂+润滑剂润滑剂+增塑剂增塑剂基体纤维成型基体纤维成型配制界面层悬浮液配制界面层悬浮液涂层、干燥涂层、干燥排布装模排布装模干压预成型干压预成型热压烧结热压烧结纤维独石结构陶瓷纤维独石结构陶瓷排胶排胶（2）仿贝壳珍珠层结构的

10、层状结构陶瓷复合材料）仿贝壳珍珠层结构的层状结构陶瓷复合材料 制备工艺主要包括几个环节：制备工艺主要包括几个环节：v 基体片层的成型（轧膜成型、流延法成型、注浆成型等）基体片层的成型（轧膜成型、流延法成型、注浆成型等）v 界面层的涂覆（采用流延、涂层或丝网印刷等）界面层的涂覆（采用流延、涂层或丝网印刷等）v 片层的排布片层的排布v 烧结烧结 原料、添加剂原料、添加剂球磨混合球磨混合干燥过筛干燥过筛轧膜练泥轧膜练泥陈陈 腐腐粘合剂粘合剂+润滑剂润滑剂+增塑剂增塑剂轧膜或流延成轧膜或流延成型薄片型薄片配制界面层悬浮液配制界面层悬浮液涂层、干燥涂层、干燥排布装模排布装模干压预成型干压预成型热压烧结热

11、压烧结层状结构陶瓷材料层状结构陶瓷材料排胶排胶（1）显微结构）显微结构纤维独石结构陶瓷复合材料的结构和性能纤维独石结构陶瓷复合材料的结构和性能 (a)(b)(c)（2）力学性能）力学性能纤维前驱体直径(mm) 无 晶 须 (MPa) KIC(MPam1/2) 有 晶 须 (MPa) KIC(MPam1/2) 1.0 689.368 8.981.04 705.471 20.011.17 0.7 602.162 11.520.98 678.162 22.561.01 0.5 562.451 14.111.00 639.760 22.960.88 0.3 530.642 17.161.02 619.

12、847 23.950.92 60040010020002003001.0mm0.5mm0.3mmHPLoad-displacement curve Load (N) Displacement (m) 0（3）载荷）载荷-位移曲线位移曲线（1）显微结构）显微结构层状结构陶瓷复合材料的结构和性能层状结构陶瓷复合材料的结构和性能 （2）力学性能）力学性能Sample Secondary reinforcement Separating layer composition Forming method KIC (MPam1/2) b (MPa) 1 -Si3N4 seeds (3 wt%) _ Cold press 11.370.75 75072.17 2 SiC whiskers (20 wt%) _ Cold press 8.10.8 820.6799.7 3 -Si3N4 seeds (3 wt%) 75 wt% BN + 25 wt%Al2O3 Compact rollin