关键词：
翼羽
微结构
仿生设计
纤维复合材料
强韧协调
摘要：
随着我国“制造强国”战略的深入推进,国家重大工程对材料综合性能的要求不断提高。例如,国防安全、海洋开发、航空航天、轨道交通等关系国计民生的重要领域中许多大型工程的建设急需高性能纤维复合材料等战略性新材料。纤维复合材料由于高强度、轻质、耐腐蚀性和耐高温等特点,在航空航天、汽车、建筑、体育器材等领域中得到广泛应用,对提升产品性能、降低能耗和推动可持续发展具有重要意义。由于纤维复合材料主要由纤维和基体两部分组成,牢固的异质界面可以确保纤维和基体之间有良好的应力传递效果,从而提高复合材料的强度和刚度,而较高的基体韧性使得复合材料具有更好的抗冲击性能和抗裂纹扩展能力。纤维和基体之间的界面强度、基体自身的断裂韧性是影响纤维复合材料机械性能的关键因素。然而,过高的界面强度可能导致复合材料在受到外部冲击载荷时容易发生脆性断裂,过高的基体韧性可能导致界面强度降低,使纤维和基体之间的结合强度变弱。因此,从界面增强和基体增韧的角度出发,突破依赖调控材料组分提升材料综合性能的设计瓶颈,开展强韧协调纤维复合材料以及纤维复合材料构件的设计制备与性能研究,具有十分重要的学术价值和实际意义。
物竞天择,适者生存。经过数百万年的进化优化,自然界中的典型生物材料通过独特的结构配置突破了天然材料本征属性的限制,实现了材料性能的跃升,具备了优异的功能适应性和强韧协调特性,为现代高性能复合材料的设计提供了重要的灵感来源。鸟类翼羽便是其中的典型代表,鸟类在飞行过程中需要面对极为复杂的气动载荷,但其在飞行效率和持续时间上远超其他飞行生物,这主要得益于鸟类翼羽独特的机械特性。研究表明,鸟类翼羽是一种天然的纤维复合材料,羽轴皮质层、羽轴髓质和羽枝协同作用,使翼羽实现了稳定的异质界面连接和能量耗散增韧,保证了鸟类翼羽具备足够的强度和韧性以抵抗飞行中可能遭遇的破坏载荷和过度形变。因此,系统挖掘鸟类翼羽的结构特征,深入揭示鸟类翼羽强韧协调机理,可以为新一代高性能纤维复合材料的仿生设计提供创新灵感。
本文选取大型猛禽黑鸢(Milvus migrans)的翼羽作为研究对象,深入研究了翼羽多尺度分级结构、材料化学组分和宏/微观力学响应特性,揭示了翼羽强韧协调机理,提出了基于翼羽微结构的仿生工程映射模型,开展了仿羽枝可重塑机械互锁微结构的纤维复合材料界面增强设计和仿羽轴髓质分级多孔骨架微结构的基体增韧设计,制备了基于翼羽微结构强韧协调机理的仿生纤维复合材料和构件,结合力学性能测试、材料力学理论分析、失效形貌宏微观表征和有限元计算模拟等手段,揭示了仿生纤维复合材料和构件的强韧协调机理。取得的主要研究结论如下:
在翼羽强韧协调机理研究方面,研究发现羽枝通过可重塑机械互锁微结构实现其高强特性,“钩-槽”互锁的相邻羽小枝间通过拉伸-滑移-脱钩-重塑过程,实现载荷能量的吸收和耗散,赋予了羽枝优异的疲劳特性和抗损伤能力;羽轴髓质分级多孔骨架微结构实现了羽毛的高韧特性,随机方向的角蛋白纤维将能量均匀分散到髓质内部,骨架结构的整体屈曲变形和渐进损伤避免了羽轴的局部灾难性失效;羽轴皮质层梯度纤维微结构实现了羽轴强度和韧性的协调与平衡,力学特性梯度渐进的材料分配方式可以同时提高羽轴皮质的整体强度和能量耗散能力。翼羽强韧协调机理分析研究为仿生复合材料的设计与制备提供了坚实的理论支撑和生物学基础。
在仿生复合材料设计制备方面,受羽枝可重塑机械互锁微结构的增强机理启发,采用水热两步法改性策略,构建了基于多巴胺功能化碳纤维和氧化锌纳米棒的仿生机械互锁界面,纤维层合板的抗弯强度和层间剪切强度(ILSS)分别提高了40.02%和101.63%;受羽轴髓质分级多孔骨架微结构增韧机理启发,在脆性的环氧树脂中构建了三维互联的仿生骨架结构,环氧树脂的抗弯强度和断裂韧性分别提高了43.92%和111.43%,而且将脆性的灾难性破坏模式转变为稳定的裂纹扩展模式;受互锁结构增强、骨架结构增韧启发,通过冻融循环和冷冻干燥法制备了强韧协调纤维复合材料,其弯曲强度和ILSS分别提高了99.85%和30.97%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了25.78%;针对羽轴皮质梯度纤维微结构刚柔耦合的强韧协调机理,制备了强韧协调的仿生纤维复合材料构件,探究了不同纤维种类、纤维混杂结构、混杂比例对纤维复合材料构件强韧指标的耦合效应。
综上所述,本文以典型大型猛禽黑鸢翼羽为仿生原型,研究揭示了黑鸢翼羽微结构强韧协调机理,受此启发,设计制备了高强度、高韧性以及强韧协调的纤维复合材料和构件,为传统纤维复合材料和构件综合机械性能的提升提供了新的设计思路及技术支持。
