甲虫前翅轻质仿生复合材料的开发

2013-01-15

 

      本文简要介绍我院陈锦祥教授从事的“一体化仿生蜂窝复合材料研究”的由来及其最新研究情况。
1.仿生的对象

      甲虫――虽然它们是我们周围非常平凡,很不起眼的小昆虫, 但经过千万年的进化,它们全身都是非常巧妙的优化结构!

    

 

2.一体化有柱蜂窝结构及其生物原型
      不妨从实例谈起,大家知道,蜂窝板早已工业化生产,但其生物原型,严格地说是蜂窝芯,而不是蜂窝板。事实上,至今为止人们在制作蜂窝板时,蜂窝芯也是单独制作--或许当初就是因为参照了这一生物原型所致,其此后便形成习惯—直沿袭至今!或许大家难以相信,甲虫前翅才是一个完整的,真正一体化的有柱蜂窝三夹板结构。

     为了便于理解,下面简要回顾有柱蜂窝结构及其生物原型(Fig. 2)。由图Fig. 2A,B可见有柱蜂窝结构的特征是:在现有蜂窝结构的一些蜂窝壁的交汇处设有加强柱。而Fig. 2C-D为生物体中相应的结构原型--甲虫前翅内部的微细结构。其特征为:1)前翅由上层,芯层及下层构成,芯层中有小柱,气嚷壁;2)气嚷壁为近似于蜂窝的多边形网状结构,小柱多数分布在网格的角落上。

 

    

     其实,生物设计技术之精湛让你叹为观止!:纵向剖开小柱(Fig. 2E),你可发现强化纤维(几丁质纤维)有序致密地分布于其间;小柱中的纤维以直线或螺旋线等方式巧妙地与上,下层中的纤维连接在一起,而且这种连接是连续有机地遍布在以千为单位的小柱之间。即便是这么细小的小柱,其中心部分为蛋白质,强化纤维只分布在最能起抗弯作用的小柱外层!

 

 

     再从小柱直径与蜂窝壁厚度的量纲(Fig. 2A-D)上可知,小柱比蜂窝壁起到了更加重要的强化作用。更不必说,小柱中还有与上下面板连续有机地连成一体的纤维业已证明,小柱能极其有效地提高层间的剥离强度: 与没有小柱的部位相比较, 有小柱存在的部位,其抗剥离强化倍数局部可以达到数十倍, 平均也能达到3倍左右;这一天然的生物体的杰作,令万物之长的人类也难以仿制!
 
3.一体化蜂窝技术的开发
     自然界的这些魅力,特别是甲虫前翅结构中的一体化蜂窝结构,就象巨大的磁场,一直吸引着我们,成了我们坚持不懈研究的动力!最近,通过学科的交叉融合,终于开发了一体化有柱蜂窝技术,并成功试制了相应的仿生结构板!

Fig. 4例示一套简单的模具装置。Fig. 4A为阴模,同图B为基本阳模Fig. 4 C为将阳模设置于阴模时的组合情况;Fig. 4D则为试制后的样品效果图。笔者用石蜡制作阳模,并设法在阴模中设置好一些玄武岩纤维网格布,再将短切玄武岩纤维和环氧树脂的混合物加入到这一模具中,经低温固化成型,最后通过加热熔化去除阳模后,可制备一体化有柱蜂窝结构板材。

 

 

 

  

 现在正以这一核心技术为中心,从基础,应用两方面着手深化研究,争取获利更大的突破。
 
4.主要成果
代表论文
[6] J. Chen, G. Wu, Beetle Forewings: Epitome of the optimal design for lightweight composite materials, Carbohydrate Polymers, 912 (2013年1月) 659– 665 ( SCI IF=3.6)
[5] J. Chen, C. Gu, S. Guo, C. Wan, X. Wang, J. Xie and X. Hu, Integrated Honeycomb Technology Motivated by the Structure of Beetle Forewings, Materials Science & Engineering C 32(7)(2012) 1813–1817 ( SCI IF=2.7). ,
[4] J. Chen,J. Xie,H. Zhu, S. Guan,G. Wu,MN. Noori,S. Guo. Integrated Honeycomb Structure of a Beetle Forewing and its Imitation,Materials Science & Engineering C323 (2012) 613-618 ( SCI IF=2.7).
[3]   J. Chen, G. Dai, Y. Xu and M. Iwamoto, Optimal Composite Structures in the Forewings of Beetles, Composite Structures[J], 2007, 81:432-437( SCI IF=2.2).
[2]   J. Chen, Q-Q Ni, Y. Xu and M. Iwamoto, Light Weight Composite Structures in Fore-wing of Beetles, Composite Structures[J], 2007, 79(3):331-337( SCI IF=2.2).
[1]    陳錦祥,岩本正治,倪慶清,倉鋪憲,齋藤憲司,甲虫上翅の層間強化機構に関する一考察[J],機論A,2001,67(664):273-279.
国家发明专利:
[5] 陈锦祥,吴智深,吴刚,谢娟,朱虹,一体化制备多边形格栅蜂窝空芯与实芯板的模具装置和方法,美国申请号: US13/406,4411(2012.2.27)。
[4] 陈锦祥,汪昕,谢娟,顾承龙,何成林,一体化蜂窝板的封边模具方法,发明专利,申请号:2011 1 0234562.9 (2011-08-17 ).
[3] 陈锦祥,谢娟,关苏军,朱虹. 一体化制备多边形栅格蜂窝结构实芯功能板的模具与方法,ZL 201010228680.4.
[2] 陈锦祥,关苏军,一体化制备多边形格栅空芯板的模具装置和方法,ZL 2010101100691.
[1] 陈锦祥,倪庆清,岩本正治. 一种中间为多边形栅格的夹层强化板, ZL.03 1 16503.6; (2006.10.11)
 
     (谢娟)    2013-01-13
【关闭窗口】