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1、2004年第8期 产业用纺织品 综述仿生纤维增强复合材料李辉芹 (天津工业大学纺织与服装学院,天津,300160)摘 要:介绍了仿生纤维增强复合材料的研究概况,从天然生物材料的特性着手,从形态、结构和功能三个方面对仿生纤维增强复合材料进行了详细的阐述。关键词:复合材料,仿生纤维,形态,结构,功能中图分类号:TB39 文献标识码:A 文章编号:1004-7093(2004)08-0001-04表1 生物复合材料的组成和结构0 前言生物复合材料化学组成结构特征龟壳胶原纤维和棒状羟空心、层状、过渡层、变厚在大自然
2、中,各种生物为了适应自身生存的基磷灰石度和异形截面结构环境,在经历了长期的进化之后,形成了具有各自特色的生物结构和优良的性能。近年来,科学家贝壳有机蛋白质、多糖层状、杂化和纳米结构们从自然界中的生物复合材料得到了启发,在材和碳酸钙料设计时引入了“仿生设计”和“纤维形态设计”的金龟子的几丁质纤维和蛋白空心、层状、变厚度、螺[1]外壳质基体旋、分叉、网状和蜂窝结概念。仿生纤维增强复合材料的仿生研究包括构形态仿生、结构仿生和功能仿生等。人的大腿胶原纤维和羟基磷空心、层状、变厚度、螺骨灰石粒子旋、异形截面、过渡层、哑1 天然生物材料的特性铃状结构象牙类羟基磷灰石和胶网状、螺
3、旋、变厚度和过生物复合材料包括动物的壳、骨、毛发和牙齿原纤维渡层结构[2]等以及竹、木、麻与棉等植物的组织,其组成和羊毛角阮和非角阮物质螺旋和异形截面结构结构特征见表1。由于生物复合材料具有独特的竹子纤维素、半纤维素空心、层状、过渡层、变厚结构,使其具有高的强度和韧性、各向异性、自愈和木质素等度、螺旋和有节结构[3]合功能和功能适应性。木材纤维素、半纤维素空心、层状、过渡层、变厚生物材料是长期自然选择的结果,现存的生和木质素等度、螺旋、分叉、蜂窝和网物结构大都成功地达到了优化的水平。良好的功状结构能适应性是生物材料的一大特性。如动物骨骼中麻纤维素、半纤维素、中空、异
4、形截面和螺旋结应力大的区域正好配上高密度和高强度的区域;木质素和果胶等构竹子是一个由基部向上直径逐渐递减的圆锥形的棉纤维素、蜡质和非中空、异形截面、层状和纤维素物质螺旋结构收稿日期:2004-01-20秸秆纤维素、半纤维素、中空、有节、变厚度和分作者简介:李辉芹,女,1974年生,讲师,在读博士研究生。研木质素和果胶等叉结构究方向:纺织材料与纺织品设计。—1—综述 产业用纺织品 总第167期 空心结构,每隔几厘米至几十厘米有一竹节,由节纤维增强复合材料,比平直钢丝纤维增强锡纤维横壁组成一个纵横关联的整体,这对中空
5、细长的增强复合材料的拉伸强度提高107%。对于短钢[5]竹杆的刚度和稳定性起着重要的作用;龟壳由位丝增强混凝土,Zhu等发现由于在骨形短纤维于壳体外侧的密质层和位于内侧的松质层组成,和基体之间存在机械嵌合作用,因而骨形短纤维它们之间无明显的界线,密质层中棒状晶定向排的加入能够显著地提高混凝土的强度、韧性和刚列,松质层中棒状晶无规分布,而在基板之间则由度。而对于骨形聚乙烯短纤维增强不饱和聚酯的结构松散的片状晶体组成;象牙是由左旋和右旋研究,他们同样得到在界面粘结较弱及优化纤维的两组呈放射状分布的板所构成,各板层内的胶形态的条件下,加入骨形短纤维也能够改善复合原纤维近似
6、平行于放射状曲面,不同板层间的胶材料的强度和韧性的结果;但纤维端部的加大将原纤维取向是沿板层切面的轴旋转90°,且相邻板导致复合材料较早地出现基体开裂,因而必须对层间胶原纤维的取向是逐渐过渡的等。纤维端头的形状进行优化以减小应力集中。生物材料的另一显著特点是具有再生机能,2.2锚端纤维增强复合材料受到损伤破坏之后能自行调节使创伤愈合,树木[6]Wetherhold等人的研究结果表明,虽然基体和动物骨骼的创伤愈合就是最好的证明。收缩、纤维表面处理、硬度、屈服应力和韧性以及锚端形状等均影响复合材料的韧性,但带端头的2 形态仿生韧性金属纤维能够大幅度地提高材料的韧性。[7
7、]Qian等人发现仅含1%体积的带端头中碳钢纤纤维增强复合材料的形态仿生就是模仿生物维增强混凝土具有高的强度、弯曲刚度和韧性。材料的外观形态来进行复合材料的仿生设计,包而Chanvillard[8]用带有半圆形、钩形和波浪形等端括采用空心纤维、哑铃形纤维、珠链状纤维、环形头的钢纤维增强混凝土,这些纤维拔出变直时将纤维、树杈形纤维、螺旋纤维以及其他的异形纤维消耗更多的摩擦功和塑性变形能,有利于提高混等来增强的复合材料(表2)。理论分析和实验证凝土的强度和韧性。明,形态仿生的纤维增强复合材料具有比平直纤2.3螺旋纤维增强复合材料维增强的复合材料更高的强度和断裂韧性,
