發(fā)布時(shí)間：2021-01-19 06:36

　　隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,輕質(zhì)材料對(duì)于節(jié)能減排和降低運(yùn)營(yíng)成本有著越來(lái)越重要的作用,并成為航空航天、軍事和交通等許多先進(jìn)領(lǐng)域的關(guān)鍵因素之一。最近,研究人員通過(guò)模仿馬蹄、螳螂蝦、鳥(niǎo)類(lèi)頭骨等天然生物材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),構(gòu)建出了一些具有高強(qiáng)度和高韌性的輕質(zhì)仿生復(fù)合材料。例如,貝殼結(jié)構(gòu)是一種具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性的輕質(zhì)材料,它是僅由硬質(zhì)相（例如礦物文石,95%體積）和少量軟質(zhì)相（例如生物聚合物,5%體積）組成的“磚-泥”疊層結(jié)構(gòu)材料。研究人員通過(guò)模仿這種“磚-泥”結(jié)構(gòu)激發(fā)了制備高性能仿生復(fù)合材料的創(chuàng)意和方法。這種“‘磚-泥’交錯(cuò)疊層仿生貝殼復(fù)合材料”,由于其內(nèi)部特殊的微觀結(jié)構(gòu),讓其擁有輕質(zhì)量的同時(shí)也擁有優(yōu)異的力學(xué)性能。為很多高精尖領(lǐng)域的發(fā)展提供了材料設(shè)計(jì)的重要參考,也為多個(gè)新型科技領(lǐng)域的創(chuàng)新提供可能性。本文工作的靈感來(lái)源于天然貝殼中層狀文石微片層/幾丁質(zhì)納米纖維——天然貝殼珍珠質(zhì)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨烯（GO）,之后采用蒸發(fā)自組裝法通過(guò)調(diào)節(jié)氧化石墨烯的片層之間的距離,來(lái)獲得具有不同微觀結(jié)構(gòu)的仿生貝殼結(jié)構(gòu),并將制備好的材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn),得到了其在外部載荷作... 

【文章來(lái)源】：太原理工大學(xué)山西省 211工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：71 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

天然貝殼珍珠層及其微觀結(jié)構(gòu)和仿生貝殼交錯(cuò)疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料Fig.1-1Thenaturenacreandtheirmicro-structureandbio-inspirednacre-likecomposites

圖 1-2 利用蒸發(fā)自主裝法制備 PVA/GO 貝殼結(jié)構(gòu)過(guò)程示意圖[45]。Fig. 1-2 Schematic diagram of the process of preparing PVA/GO shell structure byevaporation self-assembly method[45].現(xiàn)在制作并加工石墨烯主要有兩種方法，分別是物理法和化學(xué)法[46-49]。一般而言，物理法用石墨或膨脹石墨這些價(jià)格相對(duì)便宜的材料作為原料，采用機(jī)械剝離法、取向附生法、液相或氣相直接剝離法來(lái)制備單層或多層石墨烯。這些方法操作簡(jiǎn)便，易于獲取原料，制備出的成品純度高、缺陷較少，但是制備工藝難度大�；瘜W(xué)法通常采用 Hummers 法[50]，讓石墨在強(qiáng)氧化劑的作用下，通過(guò)攪拌，超聲等方法得到氧化石墨烯，再通過(guò)特定的還原劑對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原，得到還原氧化石墨烯[51]。目前采用較多的是熱還原法和 HI 溶液還原法。這種方法成本較低，容易得到大批量的氧化石墨烯和還原氧化石墨烯，能滿(mǎn)足工業(yè)大批量生產(chǎn)。但是得到的樣品中會(huì)存在一些缺陷，可能出現(xiàn)氧化過(guò)程中的氧化程度不完全

發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)材料整體強(qiáng)度和韌性都有影響，并通的尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)化材料的宏觀性能[69]。Gao 等用運(yùn)用張剪鏈模型簡(jiǎn)化了這種交錯(cuò)疊層結(jié)構(gòu)[67-70]，發(fā)現(xiàn)在這種特殊的結(jié)構(gòu)中，作為 磚塊μ的硬質(zhì)相主要應(yīng)力，而作為灰泥的軟質(zhì)相則主要承擔(dān)剪應(yīng)力，起到傳遞荷載的作用。和 Rabiei 基于 J 積分理論發(fā)展了一套理論模型來(lái)研究貝殼材料中的韌性制，探討了裂紋擴(kuò)展區(qū)在擴(kuò)展的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的變化以及裂紋橋連韌性的影響[71]。Song 等利用剪滯模型，討論了基于非線(xiàn)性剪滯分析的參用來(lái)探索貝殼納米復(fù)合材料在單軸拉伸下的強(qiáng)度和韌性的同步優(yōu)化[72]。這種特殊的交錯(cuò)疊層結(jié)構(gòu)中，存在兩個(gè)重要的特征長(zhǎng)度分別與優(yōu)化強(qiáng)度和關(guān)。通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)材料的參數(shù)，來(lái)達(dá)到仿生貝殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和韌性的同隨著張剪鏈模型和斷裂力學(xué)的不斷發(fā)展，GAO 等結(jié)合這些理論討論了類(lèi)料的增韌機(jī)理[65-73]，如圖 1.3。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[6]最優(yōu)仿生大棕蝙蝠聲波信號(hào)模型及雷達(dá)測(cè)距[J]. 崔永鋒,劉偉.  科技通報(bào). 2014(04)
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碩士論文
[1]基于石墨烯的納米復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能[D]. 韓曉芳.華東理工大學(xué) 2014
[2]基于碳纖維復(fù)合材料的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究[D]. 江小婷.南京航空航天大學(xué) 2014
[3]仿甲蟲(chóng)鞘翅輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱學(xué)及力學(xué)性能研究[D]. 喬睿.南京航空航天大學(xué) 2014



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