一体化仿生蜂窝复合材料的力学特性研究

针对拥有自主知识产权的一体化有柱蜂窝的轻质仿生三维结构，通过三维建模，用有限元预选蜂窝板材的结构参数；再利用最近发明的一体化蜂窝制备技术，选用（真空）树脂传递成型法，试制以玄武岩纤维为增强体，以环氧树脂等为基体的纤维增强复合材料。然后通过实验与有限元分析等方法对样品的力学性能进行测试与评价，用电子显微镜、红外光谱仪等，分析纤维与基体的物理化学结合情况及其力学实验中样品的破坏形态。据此综合探讨蜂窝结构参数及其成型技术对蜂窝板纤维复合材料力学性能的影响规律。探明一体化有柱蜂窝板在常见载荷下的抗弯、失稳、剥离与剪切等力学特性及其破坏机理；优化蜂窝板的结构参数及材料组成，成型工艺等的成型技术条件，为开发仿生轻质高强结构的纤维复合材料奠定理论基础。这种轻质仿生蜂窝板复合材料的上下层与芯层之间无需使用粘结剂，产品安全环保，产业化后应该具有良好的经济效益；并对节省资源，保护环境具有十分深远的社会意义。

本研究首先对一体化蜂窝技术进行了系统的分析与归纳，其间又发现了甲虫前翅中的天然封边结构，建立了三维模型，并给出了完整的一体化蜂窝技术的仿生理论体系。澄清了完全一体化的蜂窝板的生物原型不是“蜂窝”，而是甲虫前翅的事实，为世界首提，意味深长，令人振奋。其次结合所制备样品的力学性能和界面微细结构，确定了一种纤维含量高、力学性能好、加工效率高的一体化蜂窝板的制备工艺和成型技术。为高质量完成本课题奠定了坚实的基础。.利用蜂窝板有上下两个面板的特点，巧妙地设计了一种单侧胶结蜂窝板，由此证实了一体化蜂窝板最终破坏取决于材料强度本身，具有能充分发挥材料的力学性能、整体性好的特点；用短纤维替代生物中长纤维的仿制效果，在抗剪切刚度上更具优势，其力学指标只能达到70%-85%，但仍优于目前同类仿生夹层板；仿生蜂窝板中工艺小孔的有孔面朝上时更能充分发挥材料本身的强度。生物通过对结构的设计，可以充分发挥材料的性能。.通过有限元分析所得的仿生蜂窝板芯层小柱结构的应力分布、非常圆满地解释了甲虫前翅中小柱为空心的原因，并解开了蕴藏在小柱倒角中倒角大小与直径大小之间的抗压奥秘；通过理论推导揭示了蜂窝-小柱结构能够有效提高抗压性能的机理。为仿生结构及其一体化蜂窝板具有优秀的力学性能提供了理论基础。.较为系统全面地分析和归纳了我国甲虫前翅结构及其仿生应用方面研究进展，同时指出了存在的一些问题、展望了今后20年内若干可能的研究方向，获得了审稿专家的高度评价。据此，通过与生物原型结构逐一对比等手法，证实了我国在这研究领域中确实存在若干伪命题的事实，并从原文作者角度和社会角度分析了产生伪命题的原因并提出了防止对策，为甲虫前翅仿生领域的健康发展抛砖引玉。. 最后，再从作为基础研究重要的评价指标--SCI和发明专利数量和质量上看，正如在前述“执行情况概述”所述，本项目发明专利及SCI论文数，远远超过原计划。在研期间仅“授权国家或美国的发明专利”就已达到6项，仅SCI论文已经发表11篇，年内预期可达到18篇，且影响因子IF多在3-5之间，至今为止的SCI“不俗论文”率达到100%；所有标注的SCI论文，本课题均为第一资助项目，且本课题申请人均为第一或通讯作者，每篇论文总资助项目均不超过2项。