一體化仿生蜂窩複合材料的力學特性研究

《一體化仿生蜂窩複合材料的力學特性研究》是依託東南大學，由陳錦祥擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：一體化仿生蜂窩複合材料的力學特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳錦祥
• 依託單位：東南大學

中文摘要

針對擁有自主智慧財產權的一體化有柱蜂窩的輕質仿生三維結構，通過三維建模，用有限元預選蜂窩板材的結構參數；再利用最近發明的一體化蜂窩製備技術，選用（真空）樹脂傳遞成型法，試製以玄武岩纖維為增強體，以環氧樹脂等為基體的纖維增強複合材料。然後通過實驗與有限元分析等方法對樣品的力學性能進行測試與評價，用電子顯微鏡、紅外光譜儀等，分析纖維與基體的物理化學結合情況及其力學實驗中樣品的破壞形態。據此綜合探討蜂窩結構參數及其成型技術對蜂窩板纖維複合材料力學性能的影響規律。探明一體化有柱蜂窩板在常見載荷下的抗彎、失穩、剝離與剪下等力學特性及其破壞機理；最佳化蜂窩板的結構參數及材料組成，成型工藝等的成型技術條件，為開發仿生輕質高強結構的纖維複合材料奠定理論基礎。這種輕質仿生蜂窩板複合材料的上下層與芯層之間無需使用粘結劑，產品安全環保，產業化後應該具有良好的經濟效益；並對節省資源，保護環境具有十分深遠的社會意義。

結題摘要

本研究首先對一體化蜂窩技術進行了系統的分析與歸納，其間又發現了甲蟲前翅中的天然封邊結構，建立了三維模型，並給出了完整的一體化蜂窩技術的仿生理論體系。澄清了完全一體化的蜂窩板的生物原型不是“蜂窩”，而是甲蟲前翅的事實，為世界首提，意味深長，令人振奮。其次結合所製備樣品的力學性能和界面微細結構，確定了一種纖維含量高、力學性能好、加工效率高的一體化蜂窩板的製備工藝和成型技術。為高質量完成本課題奠定了堅實的基礎。 利用蜂窩板有上下兩個面板的特點，巧妙地設計了一種單側膠結蜂窩板，由此證實了一體化蜂窩板最終破壞取決於材料強度本身，具有能充分發揮材料的力學性能、整體性好的特點；用短纖維替代生物中長纖維的仿製效果，在抗剪下剛度上更具優勢，其力學指標只能達到70%-85%，但仍優於目前同類仿生夾層板；仿生蜂窩板中工藝小孔的有孔面朝上時更能充分發揮材料本身的強度。生物通過對結構的設計，可以充分發揮材料的性能。 通過有限元分析所得的仿生蜂窩板芯層小柱結構的應力分布、非常圓滿地解釋了甲蟲前翅中小柱為空心的原因，並解開了蘊藏在小柱倒角中倒角大小與直徑大小之間的抗壓奧秘；通過理論推導揭示了蜂窩-小柱結構能夠有效提高抗壓性能的機理。為仿生結構及其一體化蜂窩板具有優秀的力學性能提供了理論基礎。 較為系統全面地分析和歸納了我國甲蟲前翅結構及其仿生套用方面研究進展，同時指出了存在的一些問題、展望了今後20年內若干可能的研究方向，獲得了審稿專家的高度評價。據此，通過與生物原型結構逐一對比等手法，證實了我國在這研究領域中確實存在若干偽命題的事實，並從原文作者角度和社會角度分析了產生偽命題的原因並提出了防止對策，為甲蟲前翅仿生領域的健康發展拋磚引玉。最後，再從作為基礎研究重要的評價指標--SCI和發明專利數量和質量上看，正如在前述“執行情況概述”所述，本項目發明專利及SCI論文數，遠遠超過原計畫。在研期間僅“授權國家或美國的發明專利”就已達到6項，僅SCI論文已經發表11篇，年內預期可達到18篇，且影響因子IF多在3-5之間，至今為止的SCI“不俗論文”率達到100%；所有標註的SCI論文，本課題均為第一資助項目，且本課題申請人均為第一或通訊作者，每篇論文總資助項目均不超過2項。