仿生结构复合材料的设计及其性能研究

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1、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

2、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00铺层的试样其剪切性能要高于面板纤维呈001900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，

3、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

4、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AbstractBiomaterialsinnature，basedontheevolutionofbillionsofyears，havegoodadaptabilityinperformanceandstructure．Thebeetlesarelightweightforfly,andhavehighstrengthelytrastoprotectbody．Inthecourseoflong—playingevolution，thebeetles。whi

5、chbelongtooneoftheearliestinsect。evolvedelytraswithahighlyoptimizedstructure．Thedifferentinsectshavemorethan60species．whichoccupyapproximately80％ofallanimals．Sowechoosetheelytronofbeetleasresearchobject，constructthemodelofbionicstructureanddesigncolumelliformsandwichcompositem

6、aterialsbycomparingdifferenttypesofbeetleelytras．Wefindthatthesizeandthicknessofthechitinfiberinthesameanddifferentspeadingsarediscrepant．Therearebulkyfibemandsuperiorlaminasorthicknesslocatedintheregionwithstrongoutsideforce(suchasthedorsalscaleofcicada)．However,thethicknesso

7、ffiberandthenumberoflaminas．existedintheartificialcompositematerials，aregenerallyinvariable．Sowedesignedanetworktendonstrengtheningcompositematerialswiththickandthininterweavingfiber．Epoxyresinandglassfiberwaschosenrespectivelyasresinmatrixandreinforcementfiber．Columelliformsa

8、ndwichcompositematerialsandnetworktendonstrengtheningcomposit