仿木纤维止裂原理的铝基复合材料制备与抗疲劳机理研究

This project provide a new research view which is integrated by multiple biological coupled analysis, bionic coupling modeling, fabrication method and technology of bionic composites that applying to aluminium based bionic composites with the property of anti-fatigue resistance: Based on coupling bionics, study macro/micro structure, components, distribution of wood fiber in order to establish structural model of spanning scale and mechanics model of materials, which could be applied to explain the mechanism of fatigue resistance of blocking cracks; Based on solid-liquid fabrication and electromagnetics mixing technology, study new in-situ method which can be applied to fabricate bionic strengthen body of which scale uniform, morphology uniform, and good surface wettability; Based on electromagnetics and fluid-solid mechanism, calculating the gesture, trail, and distribution of bionic strengthen body in order to obtain bionic strengthen body which distributed uniform and arranged orderly as the result of improving fatigue resistance. Based on mechanism of plastic deformation caused by electricity, microstructures of aluminium are optimized by changing grain size, morphology, and distribution as the result of strengthening interface between bionic strengthen body and aluminium matrix. This project provide theoretical support and technological guarantee which is applied to solve the bottleneck problem that faced by aluminium composites of high level industrial components. This project has significant scientific value and social benefit.

本项目提出一种集多元生物耦合分析、仿生耦合建模、仿生复合材料制备方法和工艺于一体的面向止裂抗疲劳铝基仿生复合材料的新研究思路：基于耦合仿生学原理，研究木纤维宏/微观结构、形态、组成及排列规律等多因素间的协同和耦合作用，构建跨尺度耦合结构模型和生物力学模型，揭示其止裂抗疲劳机理；基于固-液合成和高频电磁搅拌技术，研究原位制备尺寸跨度一致、形貌统一及表面润湿性良好的类“木纤维”型仿生增强体的新方法；基于电磁流-固耦合计算原理，研究仿生增强体在铝基熔体内的运动姿态、轨迹及分布规律，制备空间排列有序且分布均匀的微观组织，抑制微裂纹萌生、扩展和汇聚，增强止裂效果；基于电致塑形效应，研究电脉冲孕育处理技术对铝基组织晶粒尺寸、形貌及排列规律的作用机制，强化仿生增强体与基体结合强度。本项目研究为解决我国高端产业装备中铝基复合材料面临的瓶颈问题，提供了理论支撑和技术保障，具有重要科学研究价值和社会效益。

本项目研究了天然木纤维的多孔跨尺度异质度结构及其双向力学性能，发现均匀分布的异质结构可以多次改变裂纹扩展方向，延长裂纹扩展路径，提高生物材料的疲劳寿命，揭示了具有止裂抗疲劳功能的生物材料止裂机理，并基于此机理构建了生物耦合抗疲劳模型；基于生物耦合抗疲劳模型，在传统金属材料表面和内部制备均匀分布的异质结构，其大小、形貌和分布共同决定了材料的疲劳寿命。而异质结构的分布对疲劳寿命的改善最重要，从研究结果中可以看出当异质结构与裂纹扩展方向垂直的时候，对抑制裂纹效果最突出，可提高材料疲劳寿命约6-10倍；在理论上为制备具有抗疲劳止裂功能的金属基材料，提出非接触式原位电磁搅拌制备方法，通过外加电磁场控制金属基材料内部微观组织形貌，外加脉冲静电场改善微观组织晶粒大小及结构，以此方法制备具有高效止裂功能的金属基仿生抗疲劳材料；基于木纤维多孔跨尺度的微通道结构，利用其高效输送水分、矿物质和有机物的运输能力，以木纤维作为电极基础材料，能够提高电极与电解液的接触比表面积，增强电极的传电传质能力。在碳化木纤维内部和表面原位合成高性能导电聚合物，制备电化学性能更加稳定的仿生复合碳化木材电极。研究了仿生电极在环境温度20℃-80℃下的电化学特性，发现在60℃中赝电容效应最为明显，在80℃左右电容含量最高。本项目提出的基于木纤维多孔跨尺度异质结构的生物耦合模型，为研发新型具有复合功能特性的金属基材料，提供了设计和制备依据，具有重要科学研究价值和实际应用前景。