仿生耦合轻质、高强、抗冲击材料结构设计与可控制备研究

The combination of low density, high strength, high stiffness and high impact toughness is a bottleneck problem of engineering materials. Based on the light weight, high strength and impact resistance mechanism of biological materials, the structure design and controllable preparation of bionic coupling material with light weight, high strength and impact resistance were conducted. In this program, we could offer an effective and new bionic coupling technique for the fabrication of bionic impact resistance material with the characteristics of low density and high strength, stiffness and toughness. The research contents included thatstudy on the mechanisms and characteristic rules about light weight, high strength and impact resistance of bionic coupling, the structure design and fabrication of bionic coupling impact material, the performance evaluationand impact mechanism of bionic coupling impact material. The purpose of our research is to reveal the impact mechanism of the bionic multi-coupling and construct the integrative bionic coupling model of structure-material-function, realize the qualitative control on the structure design, fabrication technology and impact function of bionic coupling material, propose an effective design concept and fabrication technology of bionic coupling material withlight weight, high strength and impact resistance, offer the theoretical basis on the fabrication of the bionic coupling impact resistance material which possess the advantages of highest impact resistance, best impact condition adaptability and lowest self-damage.

本项目立足解决工程材料面临低密度、高强度、高刚度与高冲击韧性无法共同提升的瓶颈难题，基于生物材料轻质、高强、抗冲击等原理，开展兼具轻质、高强、抗冲击等多种功能的仿生耦合材料结构设计与可控制备研究，为研制 “刚、柔”、“软、硬”、“强、韧”相结合的具有“轻、强、刚、韧”等特性的仿生抗冲击材料提供新方法。研究内容包括：(1) 生物耦合轻质、高强、抗冲击原理与特征规律研究；(2) 仿生耦合抗冲击材料结构设计与制备研究；(3) 仿生耦合材料抗冲击性能评价与机理研究。研究目标：(1) 揭示生物多因素耦合抗冲击原理及构建结构－材料－功能一体化的仿生耦合模型；(2) 实现仿生耦合抗冲击材料结构设计、制备工艺与冲击性能间的定性可调控；(3)提出一套行之有效的仿生轻质、高强、抗冲击材料设计理念与制备新技术，为开发和制备新型抗冲击功能最优化、冲击工况适应最佳化、本身损伤最低化的仿生耦合抗冲击材料奠定基础。

在实际工程应用中，由于冲击损伤而引起材料失效对国民经济、国防发展和人民安全等造成的损失是巨大的。在保证机械部件材料质量轻、强度高、塑性好的条件下，提高其抗冲击载荷能力，是众多工程领域亟待解决的问题。自然界的生物通过特殊的结构和多相材料以“刚、柔”、“软、硬”、“强、韧”相结合，兼具了轻质、高强、抗冲击等特性。本项目以白蚬子壳、脉红螺壳和文蛤壳为仿生模本，基于轻质、高强、抗冲击功能特性与原理，以Al-Ti-B4C体系和B4C/5083Al体系为原材料，采用燃烧合成与热压烧结相结合的制备方法，设计并制备一种兼具轻质、高强、抗冲击功能的仿生耦合材料，为解决抗冲击材料的瓶颈问题提供了一种仿生新方法。本项目取得了如下创新成果：.(1)揭示了生物多因素耦合抗冲击原理及共性与个性特征规律，建立结构－材料－功能一体化的仿生物理模型与数学模型。.(2)利用多相材料构建“刚柔相济”、“软硬相合”、“强韧相应”的仿生耦合结构，实现了兼具轻质、高强、抗冲击等多种功能的仿生耦合材料可控制备。.(3)揭示了仿生耦合材料抗冲击原理，实现仿生耦合抗冲击材料结构设计、制备工艺与冲击性能间的定性可调控。.在整个项目运行其间，与本项目相关的所获得成果包括：发表SCI收录学术论文12篇（均已标注），授权与公开发明专利5项。培养研究生5人，参加国际会议8人次。