仿贝壳层状复合装甲材料研究进展

贝壳珍珠母层因其独特的结构而成为了一种优秀的仿生材料模板,借鉴于贝壳高度复杂的多级叠层结构,仿贝壳层状复合装甲材料体现出了优异的强韧度和抗冲击性能,得到了防弹防护领域的广泛关注和研究。目前,仿贝壳层状复合装甲材料的研究方向主要集中于贝壳珍珠母层高综合性能的原因和验证,及其在各种材料中的复现。综述了各种仿贝壳层状复合装甲材料的强韧化原理、制备技术和防护性能。首先综述了贝壳的各种外在和内在的增韧机制;其次综述了目前常见的各种仿生制备技术及制备出材料的力学性能;在防护性能方面,主要综述了各种弹道测试和有限元分析下的仿贝壳层状复合装甲材料的研究现状。各种研究表明,仿贝壳层状复合材料确实具有高强高韧、高断裂吸收功等特点,但是要完美地做到仿生制备和精细调控材料的微观结构和力学性能,仍需要进行更多的研究。     

交叠增韧仿生复合材料的研究进展

仿生设计方法为制备结构与功能一体化材料提供了重要的思路和途径,已成为各国研究的重点,贝壳的分层结构和高强韧性能仿生制造是其中较为典型的一类,据此可开发出具有优异的防护性能和抗裂纹扩展能力的层状复合材料。对层状复合材料制备工艺、界面扩散及结合强度、增韧机制、弹道防护性能的研究现状进行了简要综述,评价和总结了目前存在的问题,并对仿生制造的应用前景进行了展望,指出应加强层状复合材料变形的理论研究,进一步拓展层状复合材料的应用领域。     

新型仿生微纳米界面微量流体输运调控材料

生物表面从微纳米层次上已提供给人类一种多级次梯度结构的协同效应机制,并展现出控制动态浸润性及液体传输的独特能力。基于这种机制,设计了各种仿生的结构,开发了制备仿生材料的新技术与方法。并将仿生理念引入到材料的制备中,通过利用常见的高分子材料、响应高分子材料、掺杂的有机物/无机物复合材料,可控制备了一系列新型一、二维度仿生微纳米界面材料。这些新型仿生微纳米界面材料从微、纳及宏观层次上体现了优越的浸润性调控功能,如液滴驱动、水收集、防覆冰等,其在微流控制、淡水采集、雾水工程、热量传递、浮尘过滤等领域有重要的应用前景。     

羟基磷灰石/ 胶原类骨仿生复合材料的制备及表征

通过体外模拟天然骨生物矿化和材料自组装的形成机制, 研究制备了类骨羟基磷灰石/ 胶原仿生复合材料并对材料进行了表征。结果表明: 纳米羟基磷灰石均匀分布在胶原基质上并择优取向排列, 该复合材料的成分和微观结构与天然骨类似。      

自组装制备有机/无机层状复合材料

自然界中形成的生物材料在结构和性能上具有优异的配备性。模仿生物矿化的形成机制,利用自组装原理能够仿生合成出性能优良和具有多级结构特点的有机/无机界面层状复合材料。本文在总结近年来最新研究的成果上,简要介绍了自组装和生物矿化的机理,重点阐述了基于无机相层的自组装和以有机大分子为模板自组装制备有机／无机层状复合材料两种合成连径,并对未来的发展趋势做了展望。     

生物自然复合材料的结构特征及仿生复合材料的研究

经过若干世纪的选择进化, 生物自然复合材料昆虫外甲壳的细观结构高度优化, 使其具有种种优良的性质。本文研究了昆虫外甲壳的细观结构特征, 这些结构特征为人工合成复合材料提供了一些有益的启示。按在昆虫外甲壳中发现的双螺旋铺层结构和纤维绕孔铺层结构, 用玻璃纤维和环氧树脂制备了仿生铺层复合材料, 比较实验表明, 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。      

仿生蜘蛛丝微纳米复合材料的集水性能

水是自然界大多数生物生存的必要条件,而动植物界存在着诸多奇妙的浸润现象。仿生微纳米复合材料浸润性相关研究是近年来国内外发展迅速的前沿热点,涉及跨领域、交叉领域。本文对仿生工程领域拥有集水性能的类蜘蛛丝微纳米复合材料的研究进展进行了评述,简要分析了材料的微纳米复合结构及其控制浸润性/液滴行为的机制,总结了类蜘蛛丝微纳米复合材料及集成蜘蛛网的制备技术发展(包括提拉法、静电纺丝法、微流体技术、三维编织技术、3D打印技术等),展示了不同微纳米复合材料及相应集水性能。本文重点分析并对比了仿生蜘蛛丝微纳米复合材料的仿生结构设计、材料制备技术、集水性能等,并展望了拥有集水性能的微纳米复合材料在微流体芯片、天气预报、海水淡化、药物缓释、微反应器、能量储运与转换等多领域的进一步新兴、多功能化应用。     

冷冻铸造技术制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料研究进展

贝壳珍珠层是一种天然的层状结构复合材料,类似"砖和泥"的软硬相交替的层状分级组装结构赋予其优良的力学性能。通过对贝壳的珍珠层进行仿生研究,人们已利用不同技术如冷冻铸造技术等,制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料,并且这些材料在航空航天、军事、民用及机械工程等领域表现出广阔的应用前景。首先介绍了贝壳珍珠层的结构性能,并对其断裂机制进行了阐述;然后综合介绍了冷冻铸造技术的发展历程、作用机理、控制因素、装置设计和总体工艺流程。在此基础上,对制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料的表观密度、多孔陶瓷的孔隙率进行介绍,综述了多孔陶瓷的性能、陶瓷/金属层状结构复合材料以及陶瓷/聚合物层状结构复合材料的特点和应用,最后分析和总结了在研究仿贝壳层状结构陶瓷复合材料过程中出现的问题,并对该复合材料的未来发展趋势做了一定的预测。     

微合金化对TiB2颗粒增强铝基复合材料微观组织和力学性能影响的研究进展

微量添加合金元素是改善铝基复合材料综合性能的有效方法,是基于电磁搅拌、超声振动等物理工艺,双峰结构、仿生层状材料等制备技术之外改善增强相/基体界面结构、调控强度-韧性力学性能的一种行之有效的低成本技术.近年来,合金元素在TiB2颗粒增强铝基复合材料中的研究备受关注,取得了一定的成果,对其作用机理的理解也向纳米层级甚至原子层级迈进.本文归纳了国内外微量添加合金元素对TiB2/Al复合材料中TiB2颗粒形貌、微观组织、力学性能的一系列最新进展,阐述了微合金化机制,并展望了其在调控复合材料裂纹萌生与扩展、发挥微纳尺度本征力学性能、协调材料强度和韧性矛盾中的潜在价值,以期为制备高性能铝基复合材料提供借鉴和参考.     

多级复合材料蜂窝结构的力学性能

根据多级结构设计思想,把高性能聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫加入到单向碳纤维增强树脂复合材料之间,制备多级复合材料蜂窝结构。对多级复合材料蜂窝结构的平压性能进行了研究,包括多级复合材料蜂窝结构平压性能的理论预报和试验验证。研究了多级复合材料蜂窝结构平压性能随结构等效密度变化的关系。并对多级复合材料蜂窝结构的三点弯曲性能进行了研究,主要包括理论预报和试验验证。通过理论研究对结构的失效模式进行了预报,绘制了失效模式机制图,并通过三点弯曲试验对理论预报结果进行了验证。      

天然和仿生柔性生物结构的设计

自然界中生物材料表现出的力学性能与其结构设计形式紧密相关。柔性生物材料多为多级结构设计,其独特的功能梯度特征使其具备优异的变形能力及良好的断裂韧性。本文借鉴工程结构设计基本单元的思想提出柔性结构仿生元素理念,根据几何形态将结构仿生元素分为：线元素、梁元素、柱元素、板壳元素、薄膜元素及组合元素。根据系统论的观点建立仿生柔性结构设计体系,归纳总结出柔性仿生结构的设计准则,并基于鱼鳞梯度结构设计新型仿生功能梯度板。通过有限元的方法对功能梯度板归一化自然频率进行分析。结果表明,类鱼鳞功能梯度板具有柔韧性及刚度软化特性。阐述了仿生柔性结构的设计方法,包括模仿设计、组合设计及选择匹配设计。     

一种在细观尺度上仿生的复合材料模型

本文分析了自然界常见的生物复合材料的结构,找出了有共性的规律,提出了双重螺旋的仿生复合模型。对该模型进行了理论分析,在细观尺度上将仿生学运用于复合材料的设计与制备。用碳纤维/Sn 复合材料对该模型进行了检验,结果发现,与均匀排布的单向长纤维复合材料比较,其抗拉强度显著提高(超过了40%)。     

生态环境矿物功能材料

依据源于自天然、兼容天然、用于自然、回归自然的准则,从生态环境友好材料的设计理念出发,把材料-环境-生态-健康的理念结合起来,充分利用天然矿物材料的功能属性,以仿生的方式加工微集料基元,使其成分、功能与人居环境协调兼容,阐述了调整微气候环境矿物功能材料、净化微环境矿物功能材料和优化微环境矿物功能材料,指出了生态环境矿物材料多功能化、复合化、微集料的复合特征与集成规律,首次提出了制造功能微集料和生态功能基元材料的"基因"技术、"材料芯片"技术.着重介绍了课题组在承担国家"863"高新计划开发的高性能居室空气净化矿物复合材料;粘土基元抗茵材料;防氡辐射砌筑水泥/腻子/涂料及其复合体;生态复合功能涂料;驱蚊保健功能材料;沸石基储能复合材料等研究成果,最后展望了矿物材料在未来新型生态环保材料中的发展前景.     

基于仿生原理的几何构型及其功能性的研究进展

近年来,从生物形态出发的仿生学研究已得到广泛的关注。模拟生物表面形态、分析生物因其自身形态而具备的功能,并将其应用到工程领域中已成为研究热点之一。研究基于仿生学原理的生物体几何形貌及其所具备的功能,能够优化材料表面性能,延长服役寿命,拓宽应用范围,提高材料的应用价值。本文通过分析生物体因体表几何构型而具备的超疏水性、仿生减阻性、减摩耐磨性的原理及应用领域,探究仿生织构化图案实现不同功能的机理,明确其未来着力于仿生图案的制备及机理探索的发展方向,进而对材料表面进行处理,以期具备更优异的性能。     

非贯通球形空腔型轻质仿生结构的设计及其力学性能

为设计并开发轻量型仿生复合材料,分析了东方龙虱鞘翅断面的微观结构,发现龙虱鞘翅的内部空腔结构为非贯通球形空腔。受龙虱鞘翅独特结构的启发设计了一种轻质仿生结构,球形空腔以正六边形的形式分布于该结构内部。为考察该仿生结构的力学特性,引入了两种常见的中空结构,并借助有限元分析软件ANSYS分别对该仿生结构和其他两种常见的中空结构的压缩、拉伸及弯曲性能进行了有限元分析和对比研究。结果表明:该仿生结构较其他两种常见的中空结构具有更强的抗压能力、抗拉能力及更高的屈服强度,力学性能优异。该仿生结构在材料结构方面为研制新型仿生复合材料提供了仿生学参考。     

仿生阻尼材料研究

自然生物体结构经过漫长的进化,在减振和隔振等方面已经达到较高的效率。本文以大型陆生哺乳动物的皮层结构为仿生对象,根据其皮层的结构特征,从材料参数和结构两方面模仿其生物构造,设计出一种片状仿生类阻尼减振材料样件,并对该材料进行了台架试验,结果表明,该仿生阻尼材料有较为显著的减振降噪效果。     

In State of Art: Mechanical and tribological behaviour of polymeric composites based on natural fibres

In this article, a comprehensive literature review on the mechanical and tribological behaviour of polymeric composites based on natural fibres is introduced. The effects of volume fraction, orientations, treatments and physical characteristics of different types of natural fibres on the mechanical and tribological properties of several thermoset and thermoplastic polymers are addressed. The effects of the tribological operating parameters (applied load, sliding velocity and sliding distance) on the frictional and wear performance of natural fibre polymer composites are demonstrated. The collected date and analyses revealed that volume fraction, orientations, type of treatment and physical characteristics of the natural fibres significantly influence the mechanical and tribological behaviour of composites. The most influence key in designing natural fibre/polymer composite is the interfacial adhesion of the fibre with the matrix. NaOH chemical treatment found to be the most useful treatment method to enhance the interfacial adhesion of the natural fibres with the matrix, while other techniques exhibited either no effect or deterioration on the fibre strength. Frictional characteristics of the natural fibre composites are poor and solid lubricants are recommended to reduce the friction coefficient of the materials.     

牙科陶瓷材料的摩擦学性能研究进展

陶瓷材料因其优异的耐磨性、化学稳定性、生物相容性和美观性被广泛用于牙齿缺损和缺失修复。本文首先介绍了牙科陶瓷材料的化学成分、微观结构和力学性能,基于陶瓷材料的磨损与磨蚀机制,归纳总结了牙科陶瓷材料摩擦学性能优化方面所取得的进展,指出陶瓷材料和天然人牙摩擦学性能失配严重制约了陶瓷修复体的临床应用,进而从室验介质、对摩副以及载荷、位移和循环次数等方面分析汇总牙科陶瓷材料摩擦学性能的体外测试方法。最后,从仿生摩擦学角度探讨了牙科陶瓷材料的未来发展趋势,并指出研制仿生陶瓷基复合材料是解决陶瓷修复体与天然人牙摩擦学性能失配难题最具潜力的策略。