关键词：
鸟类翼羽
构效关系
碳纤维增强复合材料
层间增韧
负泊松比超材料
摘要：
随着我国航空航天高端装备的发展步入“快车道”,传统的材料设计理念已无法充分满足装备关键部件升级迭代对材料性能跃升的迫切需求。例如,在航空领域,大型民航客机涡扇发动机的复合材料风扇叶片面临层间剥离、分层失效的问题,严重影响了发动机的服役性能,存在重大安全隐患;在航天领域,作为空间站“能量来源”的太阳翼对骨架结构的折展变形能力提出了全新挑战。“师法自然”一直以来为人类解决工程技术难题提供了思想启迪。特别地,自然界中的生物通过有限的组成成分和温和的环境条件可以合成多种天然结构材料,它们不仅表现出远超工程材料的优异力学特性,而且通过精妙的多尺度结构设计实现了最优的力学性能协调。因此,深入挖掘自然界中典型生物构效关系,并将其应用于高性能工程材料的设计制造中有望为航空航天领域长期存在的工程难题提供“独辟蹊径”的解决方案,具有重要研究价值和实际意义。
翼羽作为鸟类区别于其他生物最具代表性的结构特征,对飞行起到至关重要的作用,通过将单个离散的羽片组合形成完整的机翼,这使得鸟类可以实现翅膀结构的大面积变化,而翼羽间微结构的相互作用避免了彼此发生过度分离,并通过羽枝结构的旋转运动实现了显著的拉胀效应,保持了在翅膀展开状态下羽片结构的完整性和气动承载能力。因此,鸟类翼羽微结构界面力学性能以及基于羽枝旋转运动的拉胀效应为设计相应的结构化材料提供了天然的模板。本文按照“生物构效关系揭示-仿生材料设计”的研究思路,将翼羽作为贯穿全文的设计灵感来源,分别探究了其宏、微观力学特性,并实现了两种仿生结构化材料的力学性能提升,主要工作如下:
(1)本研究详细表征了典型鸟类翼羽中单羽片羽枝界面与叠层羽片铺排界面的结构特征,发现了单羽片具有自修复能力和超强耐久性以及叠层羽片间优异的鲁棒性,揭示了单羽片羽枝间跨尺度分级结构和叠层羽片间面外锁合结构协同作用,实现翼羽界面优异力学性能的内在机制,厘清了翼羽微观结构与界面力学特性之间的构效关系,为解决结构化纤维增强复合材料层间失效问题提供了设计思路和理论支持。具体而言:受单羽片羽枝界面跨尺度分级结构启发,采用静电纺丝与水热生长相结合的方法,制备了仿生分级结构中间层,并通过热压法获取了仿生单向复合材料层合板,其I型和II型层间断裂韧性分别提升了107.0%和47.40%;受叠层羽片铺排界面锁合结构启发,采用静电纺丝与静电植绒相结合的方法,制备了具有面外增强作用的垂直尼龙中间层结构,并通过真空辅助成型方法获取了仿生编织复合材料层合板,其I型和II型层间断裂韧性分别提升了290.00%和101.83%,通过引入基于纳米纤维失效、多裂纹萌发、钉扎锁合等多种增韧机制使层合板展现出优异的抗分层性能。
(2)研究发现了鸟类翼羽作为一种自然超材料表现出独特的宏观拉胀效应,提出一种通过工程应变计算其泊松比数值的定量描述方法,计算获得8种鸟类翼羽的负泊松比值,其中,鸽子翼羽的最小泊松比数值达到-4.09,远低于大部分自然超材料;提出了基于SEM图像的翼羽关键结构参数化建模方法,结合有限元模拟分析技术,揭示了限域空间羽枝定向转动诱导羽片产生低负泊松比的内在作用机制,阐明了翼羽宏观拉胀效应的构效关系,为新型仿生结构化机械超材料的开发提供了设计灵感。受此启发,提取与叠层羽片拉胀效应有关的三种结构特征:羽片界面微结构、羽枝夹角差异、铺排冗余结构,分别设计制备了以内凹六边形为基础和以手性结构为基础的两种仿生超材料,并进行了力学性能测试与运动分析,结果表明在拉伸和压缩过程中均展现出负泊松比和大变形的能力,并且折展比与采用相同几何参数的传统内凹六边形和手性结构相比分别提升了26.28%和85.26%。
综上所述,本文以自然界中的鸟类翼羽为仿生模本,厘清了翼羽宏、微观构效关系,提出了复合材料层间界面结构和超材料胞元结构的仿生设计制备方案,解决了上述两种结构化材料对抗分层性能和大折展比的需求。有望为航空航天领域新型仿生结构化材料的设计制造提供理论参考与技术支持,应用前景广阔。
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