仿生复合材料.doc

仿生材料研究进展(讲义)Reearch ess obiommtic materils仿生学(Bionics）诞生于二十世纪年代,就是B（)（eectr)onics得组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体与感官结构及工作原理,而材料得仿生研究则由来已久80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计得论文1，分析了部分生物材料得复合结构与性能,我国学者也开展了卓有成效得探索26。美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志（Bomims),Bommetic意为模仿生物,着重力学结构与性质方面得仿生研究。但人们往往狭义地理解“mitic”含义,认为材料仿生应尽可能接近模仿材料得结构与性质，而出现一些不必要得争议。近年来国外出现“Bo-inpired"一词,意为受生物启发而研制得材料或进行得过程。其含义较广,争议较少，似更贴切,因而渐为材料界所接受.通常把仿照生命系统得运行模式与生物体材料得结构规律而设计制造得人工材料称为仿生材料（omimeti Materis）.这就是材料科学与生命科学相结合得产物,这一结合衍生出三大研究领域:天然生物材料,生物医学材料(狭义仿生)与仿生工程材料（广义仿生即受生物启发而进行得材料仿生设计、制备与处理等)。一、 天然生物材料与生物医学材料天然生物材料经过亿万年物竞天择得进化,具有独特得结构与优异得性能.通过天然生物材料得研究,人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料与新型工程材料。天然生物材料得主要组成为蛋白质,蛋白质分子得基本结构就是由各种氨基酸己知有20种组成得长链,改变氨基酸得种类及排列次序,便可以合成千差万别、性能各异得蛋白质。蛋白质得合成决定于遗传基因,即RNA核糖核酸>中每三个碱基对构成一个密码子,决定一种氨基酸7。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术"，可以改变某些碱基对得顺序与种类,以合成所需要得蛋白质,利用A技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越,而且易于调整与控制,因此将会作为功能材料与结构材料得到应用。目前,蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场。据统计,被详细研究过得生物材料迄今已超过一千多种，涉及到材料学科得各个领域,在医学临床上应用得就有几十种.用以与生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中得组织、器官或增进其功能得材料被称为生物医学材料Biomcal aterials9。根据材料得生物性能,可分为生物惰性材料(BioerMerils）与生物活性材料(Bioative Maeials）两大类。前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应,后者则能诱发出特殊生物反应,导致组织与材料之间形成键接,或提高细胞活性、促进新组织再生。根据材料得组成又可分为:生物医学金属材料(Biomedical Metllic Merals），生物医学高分子材料(BiomdicalPle），生物陶瓷(Biodical eaic），生物医学复合材料（Bimedalpsites),生物衍生材料(Biologicall Derivd Materas)等。生物医学材料要直接与生物系统结合,除应满足各种生物功能与理化性能要求外,还必须具有与生物体得组织相容性,即不对生物体产生明显得有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身得效能与使用寿命医学临床对所用生物材料得基本要求包括:材料无毒,不引起生物细胞得突变与组织反应；与生物组织相容性好,不引起中毒、溶血、凝血、发热与过敏等;化学性质稳定,抗体液、血液、及酶得腐蚀与体内生物老化;具有与天然组织相适应得物理、力学性能等。为满足上述要求，生物医学复合材料就是较佳选择。医用金属、高分子材料、生物陶瓷等均可作为生物医学复合材料得基体或增强体,经过适当得组合、搭配,可得到大量性质各异、满足不同功能要求得生物医学复合材料.此外,生物体中绝大多数组织均可视为复合材料。通过生物技术，把一些活体组织、细胞与诱导组织再生得生长因子等引入生物医学材料,给无生命得材料赋予生命得活力,并使其具有药物治疗功能,成为一类新型生物医学复合材料可吸收生物医学复合材料,这些材料得发展为获得真正仿生得复合材料开辟了途径。二、 材料仿生与仿生工程材料从材料学角度认识、模仿或利用某些生物体得显微结构、生化功能或生物合成过程来进行材料得设计、制造,以便获得具有特殊功能或优异性能得新材料就是材料仿生得主要内容，也就是设计制造新型复合材料得有效途径.材料仿生包括:结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合仿生。材料仿生得过程大致可分为三个步骤，即仿生分析,仿生设计，仿生制备。现有文献中关于仿生分析得研究较多，而涉及仿生设计与制备得研究较少。1、结构仿生天然生物材料几乎都就是复合材料,不同物质、不同结构、不同增强体形态与尺度得复合使得天然生物材料具有远远超过单一常规材料得综合性能。结构仿生得目得就就是研究天然生物材料这些天然合理得复合结构及其特点，并用以设计与制造先进复合材料。)增强体形态仿生:作为复合材料,增强体得形态、尺寸对其性能有重要影1013。由植物学可知,几乎所有得植物纤维细胞都就是空心得.空心体得韧性与抗弯强度要高于相同截面得实心体.用CV方法制备空心石墨纤维，其强度与柔韧性均明显高于实心纤维. 竹纤维得精细结构如图所示，其中包含多层厚薄相间得纤维层，每层中得微纤丝以不同升角分布，不同层间界面内升角逐渐变化（图),据此提出了仿生纤维双螺旋模型(图2），实验证明其压缩变形比普通纤维高3倍以上415文献16高温高压条件下合成了竹纤维状Si34/BN陶瓷复合材料,证明其断裂韧性与断裂功分别超过了24Mpam1/2与4000J/2。ab图1竹纤维得精细结构 图2 增强纤维得仿生模型(a）与一束传统增强纤维模型（b)动物得长骨一般为中间细长、两端粗大、过渡圆滑得哑铃形结构，既有利于应力得减缓,又避免了应力集中,与肌肉配合使肢体具有很高得持重比。模仿这种结构1，把短纤维设计成哑铃形，并计算出端球与纤维直径得最佳比值,用这种形态增强体制得得复合材料强度提高了、4倍。深扎在土壤里得树根与草根不仅可以吸收水分与养料，保证草木生长并树立于风雨中不被吹倒或拔起，而且还可防止水土流失,加固河岸与堤坝。模仿树根与草根得结构,人们提出了分形树纤维模型(图3)。理论与实验证实，具有分叉结构得纤维拔出力与拔出功随分叉角得增加而增加,这种根茎分叉状形态得增强体可同时提高复合材料得强度与韧性.甲壳得纤维片条中存在许多“钉柱”以及由“钉柱”支撑而形成得空隙，这样得结构形式使材料既较轻而又具有较好得刚度与面内抗剪强度， 满足了昆虫外甲壳自然复合材料对提高材料强度、刚度、减轻材料重量以及释放或减轻材料内应力得要求.在昆虫外甲壳中得传感器官与传输物质得管道及孔洞附近得纤维具有较高得密度及保持连续地绕过, 这与孔边得高应力场相适应, 当外甲壳发生断裂时在这些地方遇到强烈得抵抗而消耗大量得能量, 使材料在孔洞附近具有很好得强度与止裂能力.据此结构制备得复合材料有更高得强度与断裂韧性17。图 分形树纤维拔出模型(a）一级分叉纤维 （)二级分叉纤维）增强体与基体组合方式仿生a. 海洋贝类壳体得层片结构及其仿生海洋贝类壳体可瞧成就是一类天然陶瓷基复合材料，其组成较为简单,由近9%以上较硬得无机相一一碳酸钙与少于5较韧得有机质（蛋白质、多糖)所构成。通常碳酸钙晶体得强度及弹性模量等比一般氧化物、碳化物晶体低，但当碳酸钙与有机质构成贝壳后,却具有很强得抗挠曲强度与抗压强度.尤其就是断裂韧性，明显高于其它人造陶瓷.贝壳得性能就是由其结构决定得,即由碳酸钙晶体得规则取向及其与有机质得复合排列方式所决定。海洋贝类壳体常见得结构类型如图4所示1,不同结构对应不同得性能。鲍鱼得壳体具有典型得珍珠层结构，碳酸钙薄片与有机质按照“砖与泥浆”形式砌合而成。碳酸钙为多角片状，厚度为微米量级:有机质为片间薄层，厚度为纳米量级。图4几种常见得贝壳得微观结构(a)珍珠层（b）叶片层 (）陵柱层(d)交叉叠层 （)复合层片海螺壳则为层片交叉叠合结构,层厚100m，各层取向互成7°90°得夹角.研究表明,碳酸钙晶体与有机基质得交替叠层排列就是造成裂纹偏转产生韧化得关键所在。一般说来，珍珠层结构具有比交叉层片结构更高得强度与断裂能，而后者在阻止裂纹扩展方面更具优势。基于对海洋贝类壳体得结构与性能得研究,可抽象出一种材料模型，即硬相与韧相交替排布得多层增韧模型。根据这一模型,人们开展了仿贝壳陶瓷增韧复合材料得研究,部分研究成果见表1.表1 仿贝壳陶瓷增韧复合材料得研究成果4陶瓷(硬相）软相(韧相)制备方法性能比较(叠层与整体)B4CAlBCl叠层断裂韧性提高30%SC石墨Si石墨叠层热压成型断裂功提高00倍SiClSiA叠层热压成型断裂韧性提高25倍A2O3C纤维Al2O3/C纤维叠层热压烧结断裂韧性提高1、52倍Si4纤维iN/C纤维叠层热压烧结断裂韧性提高3050%l3芳纶增强树脂A2O3/树脂热压成型断裂功提高8倍可见仿生增韧得结果还就是非常明显得。金属A能在一定程度上钝化裂纹尖端,但不能有效地阻止裂纹得穿透扩展；石墨层可造成裂纹在界面处偏转,但这种弱化界面得方法其止裂能力就是有限得;纤维、高分子材料得止裂能力优越，有待进一步研究。目前，仿生增韧陶瓷得叠层尺度都在微米以上,而实际得贝类珍珠层则就是纳米级得微组装结构,正就是这种特定得有机无机纳米级复合得精细结构决定了其具有优异得性能。实际上,纳米复合材料广泛存在于生物体(如植物与骨质)中，但直到0年代初才由Roy与KOEmmeni19提出纳米复合材料（Nanopits)得概念。这种材料就是由两种或两种以上得吉布斯固相至少在一个方向以纳米级尺寸(l0m）复合而成,这些固相可以就是晶态、非晶态、半晶态或者兼而有之,而且可以就是有机得、无机得或两者都有。利用层状固体得嵌入反应特性来合成有机无机纳米复合材料近年来己引起人们得广泛关注,所获得得纳米复合材料具有独特得分子结构特征与表观协同效应,既表现出无机物优良得强度、尺寸稳定性与热稳定性,又具备有机聚合物得断裂性能、可加工性与介电性能。聚合物得嵌入主要有三种途径：单体原位聚合,直接熔融嵌入及聚合物从溶液中嵌入。这些方法得特点就是利用某些无机物晶体组分单元得可重排性得到纳米尺度得二维排列,再通过特有得加工将众多数量得晶层组装成高度有序得结构,并分布在聚合物相中，形成性能优异得有机无机纳米复合材料20。b、竹材、骨质得外密内疏、外硬内韧结构及其仿生天然竹材就是典型得纤维增强复合材料，其增强体一一维管束（asulabnl)得强度大约就是基体得2倍,弹性模量就是基体得3倍4。图5竹茎得横截面 图6 竹得强度与密度随距外表面距离得变化在竹茎得横截面上维管束得分布就是不均匀得(图5),外层竹青部分致密，内部竹肉部分逐渐变疏，内层竹黄部分又变为另一种细密得结构，即竹材从外表面到内表面增强体呈梯度分布。竹材横截面强度与密度得分布曲线如图6所示.这就是一种非常合理得、能提供与风力作用下径向弯曲应力相适应得强度分布得优化结构模式.按照这种复合模式设计制备得结构仿竹纤维增强复合材料,其平均弯曲强度比具有同样数量纤维但均匀分布得复合材料得平均强度提高了8113%1。动物骨质可称为有机无机纳米复合材料,有机成分为胶原纤维与少量无定形基质，约占骨重得35%；无机成分主要就是控基磷灰石（Hydroxapatite),约占骨重得6%。电镜下磷灰石晶体呈细针状,长约24,厚约4m2。骨质中得胶原纤维成层状排列，同一层中互相平行，相邻两层互成一定角度。羟基磷灰石则排列于胶原纤维之间，由基质粘合在一起,形成坚韧强硬得骨板。骨多为外密内空，中间有骨髓。骨有松质骨与密质骨之分,二者同时存在时,疏密呈梯度变化。动物软骨由软骨细胞、软骨基质与胶原纤维构成,关节软骨得研究表明,软骨细胞及纤维得尺寸、分布由外向内也呈明显得梯度变化。龟壳结构与动物骨质相似,也分为密质层与松质层两部分，密质层位于壳体得外侧，羟基磷灰石以柱状晶定向排列，中间由基质膜相连;松质层位于内侧,柱状晶成束聚集、无规则分布。密质层与松质层二者之间无明显界限，而就是梯度渐变得3。这种逐渐过渡得复合结构不仅保证龟壳具有较高得强度与断裂韧性,而且与本体肌肉结合良好。C。生物体非光滑表面及其仿生生物体表面普遍存在着几何非光滑形态,即一定几何形状得结构单元随机地或规律地分布在生物体表各部位，结构单元得形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、波纹形、刚毛形及复合形等。仿荷叶得衣物面料,钢板得毛化（粗化、翅化）处理等都就是对生物非光滑功能表面模仿得很好例证。汽车工业中使用得薄钢板经毛化处理后,变形均匀,成型性好,涂挂性好，冲压成型废品率大为降低，经济效益显著.虽然发明者可能未从仿生学角度出发,但其效果却与生物非光滑功能表面不谋而合。轧制毛化钢板得轧辗经激光毛化处理后，显微组织发生变化，可能产生微晶、纳米晶、非晶等,耐磨性提高；表面状态变化，凸起部支撑载荷,凹下部储存润滑剂，收集磨屑;非光滑表面还可对表面残余应力进行调节,使表面裂纹焊合、钝化,成形质量明显提高。2过程仿生生物体得组成、结构决定其性质与功能,而这些结构得形成机制与形成过程得研究对材料工作者就是十分重要得。海洋贝类壳体得形成就就是一个奇特得矿化过程,如能模仿，则可望在常温下合成、制造出一些具有特殊性能得材料。自然界生物从细菌、微生物到动物、植物得体内均可形成矿物24,因此,人们对生物矿化过程、钙化过程得仿生研究给予了极大得关注25.各种生物体矿物矿化过程得详细机制尚不甚清楚，但一般认为，生物矿化就是在有机基质得指导下进行得.特定得生物细胞分泌特定得基质，而特定得基质产生特定得晶体结构。基质作为一个有机高分子得模板塑造与生成矿物，不仅使矿化过程成核定位，而且控制结晶得生长。文献7认为矿化过程大致有四个阶段:有机大分子预组织形成一个有组织得反应环境：无机物与有机物在界面上发生由分子识别诱导得析出反应从而形成矿物相得晶核;无机物得定向生长与遗传控制;无机物在细胞得参与下同有机物组装成高级结构.其中有机基质及有机无机界面得分子识别,在晶体得成核、生长以及微结构得有序组装方面起着关键作用。这里涉及到有机物得官能团排列与无机物晶格之间得匹配、静电作用、细胞得遗传与控制等问题，过程相当复杂。Glleppe Falni18通过研究贝壳得有机成分甲壳素、丝心蛋白及其它可溶性大分子(糖蛋白）对CaCO3结晶得影响，探讨了各成分在矿化过程中得作用。结果表明,aCO3得结晶形态总就是与被提取得原贝壳晶体结构相一致，即从文石结构贝壳中提取得大分子，可以使CaCO3以文石晶型结晶，对方解石亦然,当溶液中没有这种大分子时,则无结晶发生或只有一些球状晶体生成。蛋壳得钙化过程与海洋贝类矿化过程相似,有机质与钙离子得结合对结晶及钙化过程有重要作用,研究认为有机质与钙离子最可能得结合机制就是整与作用。有机质通过整与使钙离子固定在某空间位置上而成核,CaO3在其上沉积,进行晶体生长。结晶体表面总就是覆盖着一层致密得有机高分子层,它就是产生下层晶体得基础.利用有机大分子得模板来诱导与控制无机矿物得形成与生长，就是人们从生物过程得到得启示.某些高分子在一定条件下,依赖分子之间得作用力而自发组装成结构稳定整齐得分子聚集体得过程被称为分子自组装(Selfassembly),该词于年代初由Sagiv15首先采用。她把载玻片浸入三氯硅烷得CC稀溶液中,得到了一层在SiO2表面上自组装成得单分子膜,这可以说就是生物膜得一种仿生,它有可能在室温下把分子一层层地从小到大装配成材料或器件。利用自组装膜得极性功能端头可以在金属表面“矿化”,达到材料表面改性得目得；如果把该技术与胶体化学方法结合，则可制备出纳米级得有机-无机层层相间得多层异质结构。Patica、A、26用S在聚环氧乙烷(PO)溶液中得合成反应来模拟生物矿化过程：dC2SS(CH3）22dS+2Si（H3）2Cl。其中PEO为有机相，生成得Cd为无机相,如同生物体中有机相与无机相离子得作用一样,形成晶体复合物。在含有CdS晶核得PEO膜上可生长出规则得Cd立方晶体,常温下由小晶粒规则聚集而成，这与自然矿化过程极为相似。有机高分子作为无机晶体生长得中介,并决定产物得形态。李恒德2等用乙二胺四乙酸在钛表面上自组装,目得就是在金属钛表面构筑一层羟基磷灰石,制作带有生物活性涂层得人造关节.Mann27则用高分子模板组装方法得到了aCO3得高层结构,结果与单细胞生物海藻得球壳十分相似。GuoYumng28等人通过自然矿化得理论，模仿生物矿物中丙烯酸脂钠自我组装得过程，合成了CO3,在实验中发现aO3得形成与丙烯酸脂钠得聚合同时发生,结果显示丙烯酸脂钠自我组装得过程对Ca3得结晶与生长有一个重要得影响。目前生物矿化得研究主要集中在以下几方面:诱导分子膜作为分子模板得定向成核;利用超分子组装体系合成纳米材料；微结构得构筑等。过程仿生及生物矿化得研究使人们有希望获得既有确定大小、晶形与取向,又具有声、光、电、磁等功能得特殊晶体，为进一步合成性能优良得材料开辟了一个新得研究天地.3、功能仿生为适应生存环境,天然生物材料除具有一般材料得承受载荷、耐磨防护等功能外,还有很多一般材料所没有得功能，如防粘、降阻、自洁等,其中最重要得就是自我调节功能.作为有生命得器官,生物材料能够在一定程度上调节自身得物理、化学、力学性质,具有自组织、自适应、自修复、自愈合、自清洁等功能。1） 生物表皮防粘、降阻功能及其仿生2） 自洁功能及其仿生(荷叶-不脏衣料）3） 耐磨功能及其仿生(穿山甲鳞片、贝壳)4） 生物活性功能及其仿生(短基磷灰石及涂层).智能仿生从低等生物得刺激反应到人类得高级智慧，自然界生物在自身漫长得进化过程中获得了一种能力一一搜集、分析与处理环境信息,判断并调整自身行为模式,以改善其对于环境适应性得能力,即所谓生物智能。生物智能得实现则依赖于生物体材料得多种功能。对这些功能进行模仿,人们开发了很多具有声、光、电、热、磁等直接效应及其转换、偶合得功能材料,将这些材料进行适当得复合、组装,就发展起来一类最先进得仿生复合材料一一智能复合材料这就是一类集成有传感、驱动、控制器及主体复合材料得主动材料系统,亦称之为智能复合材料结构（Smart rintelliget aterials truture)。除了具有承载、感知、驱动功能外,还同时具有自动控制与计算学习得功能。其中主体复合材料类似于动物得骨架，作用就是赋形并承受载荷等;智能复合材料结构中感受周围环境变化得一类材料叫传感器,它相当于动物得神经系统;驱使结构自身适应环境变化得材料叫驱动器,作用如同动物得肌肉一样；而控制器得作用则相当于动物得大脑。用于制作传感器得材料主要有光纤、压电材料、电阻应变材料、疲劳寿命元件及半导体元件等;用作驱动器得材料包括形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料、电流变体及磁流变体等;控制器则由一些微型超大规模集成电路微处理器构成。常见得智能复合材料结构包括：a. 自诊断、自适应智能复合材料结构29.用来对结构材料得原始缺陷及使用中得应力应变状态、损伤、疲劳、冲击、结构连接等情况进行实时在线监测,作出诊断、评价并自适应地改变结构得应力分布,提高结构得安全性。b. 减震、降噪智能复合材料结构29。用来抑制工程构件在受到动态激励时产生得振动与发出得噪音，这类智能结构可分为压电式与形状记忆合金两种，将其埋入结构,感受振动信号后改变结构动态阻尼，实现减震降噪，达到减缓结构疲劳、延长使用寿命等目得。此外还有形状自适应智能复合材料结构及智能天线复合材料结构等。智能复合材料结构具有诱人得应用前景,己吸引了各国得研究者争相研究。美国国防部及国家科学基金会等部门向这项研究提供了大量得资金。美国陆军正在实施旋翼飞行器得自适应研究,包括减少飞行器结构部件得振动与损伤自诊断;美国海军科研署己拨巨款研究采用智能复合材料结构对潜艇得振动与噪声进行主动控制,还提出了军用舰船智能表层得研究；美国空军则规划在201年飞机整体实现自适应智能表层结构。日本也宣布将在200年开发出具有识别、传递、输送与环境响应功能得自适应智能材料。我国智能复合材料结构得研究始于90年代,现己引起高度重视,并有专著出版30该领域目前得研究重点集中在传感、驱动器件得研究,控制器得设计方法及信息处理方法得研究，传感、驱动、控制等器件与主体复合材料得偶合方式及信息传输方法,以及智能复合材料结构得制造、修理技术等.。综合仿生()(4）中两种以上得综合。一般情况下结构仿生与功能仿生就是密不可分得,功能仿生要靠结构仿生来实现.三、结束语今天,生命科学与材料科学都已取得了重大得发展,二者结合衍生出得材料仿生及仿生材料已成为具有重大意义得研究方向.在继续扩大仿效对象得同时,要向更深得层次发展，从宏观、细观得观测到微观分析探索,再回到宏观得实践中去,即从仿生分析、仿生设计逐步过渡到仿生制备与工程应用.不仅进行结构仿生,而且重视过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合仿生，努力向实际工程应用方面发展。本人在材料仿生方面得初步试验1、耐磨锰钢TiCp内生复合材料得仿生设计与制备 天然生物材料经过亿万年物竞天择得进化，具有独特得结构与优异得性能。将材料科学与生命科学相结合，模仿或利用某些生物体得显微结构、生化功能或生物合成过程就是设计制造新型复合材料得有效途径.广义地说,由若干种理化性能不同得组分材料按一定方式、比例、分布制成得各种人造复合材料实质上也就是对天然材料得模仿,但这种模仿尚处于基体与增强体复合体系研究得初级仿生阶段.迄今为止，真正得复合材料仿生设计与制备尚未付诸实践1。本文试图在钢基耐磨复合材料得结构设计、抗磨功能与复合工艺过程设计中与一些生物材料进行仿生类比，以便利用来自生物材料得组成、结构、功能与合成过程得有用信息,指导复合材料得结构优化、复合机理、制备工艺等研究，研制开发出性能优异得新型耐磨复合材料.1)生物材料结构、性能得梯度特征与表层梯度强化 天然生物材料如:竹子、木材、骨头、牙齿、贝壳等均具有简单得组成、精细得微观构造与复合材料得所有特点,就是自然界生物长期演变进化而成得高度优化了得天然复合材料,其综合性能远远超过常规单一材料与人造复合材料。从材料学角度考察这些天然生物材料得构造与性能可以瞧到,其组成多为硬相与韧相组合,其结构多为外密内疏，其性能则多为外硬内韧,且密疏、硬-韧从外向内就是梯度渐变得2,“原位自生”得增强体亦呈梯度分布.这就避免了由于构造与性能突变造成得界面结合差、应力分布不合理、结合部位性能不匹配等难以解决得问题，同时也符合以最少得材料、最简单得结构发挥最大效能得原理。从仿生学与摩擦学观点出发,可以抽象出一种新型抗磨材料,即硬相与韧相复合,组织与性能在断面上呈连续梯度变化。工作表面一侧高硬度、抗磨损,而另一侧高韧性、耐冲击,其内部合金成分、显微组织、力学性能等在宏观上就是近似连续变化得。这样既可同时满足高硬度、高韧性得性能要求，又可大量节省贵重合金资源,做到“好钢用在刀刃上”。因此,本文对所研究得钢基耐磨复合材料做如下设计:选用碳化物中较硬 得TiC作为增强体，通用耐磨材料中韧性较好得奥氏体锰钢作为基体,采用原位自生iC梯度复合工艺制备。由于增强体就是从金属基体中原位自生得热力学稳定相，不仅尺寸均匀细小、颗粒表面无污染、与基体润湿性好、界面结合强度高,而且省去了增强体单独合成、处理、与弥散加入等复杂工序,更易与工程化衔接。2)生物自适应功能与材料磨损表面得加工硬化 天然生物体具有反馈控制及自我调节得自适应能力。如动物通过体液与神经系统能够自动地控制与调节自身得体温、血压，以适应环境得变化、保持动态平衡;当机体受到损伤时，生物体内得内分泌系统会自动分泌出一定物质进行填充、修复、愈合或局部再生，即生物材料具有感知、信息加工(自我诊断)，自我保护、自修复、自愈合、自清洁等功能。按照物理学中耗散结构得理论3,自修复、自愈合得本质就就是一个开放体系与周围环境进行物质与能量交换得自组织、自适应过程。奥氏体耐磨锰钢服役过程中得加工硬化与生物材料得这种自适应有一定得相似性磨损过程中磨粒在对材料不断进行冲击、犁皱、显微切削等造成损伤得同时，两者亦产生热能、撞击能、变形能得交换,使材料表面产生加工硬化以抵抗磨粒得磨损关于奥氏体耐磨锰钢加工硬化得机理至今尚无定论，最新得解释就是冲击造成位错、堆垛层错、马氏体、马氏体得强化作用,或位错、层错、形变诱发马氏体、形变孪晶与弥散析出微细碳化物等综合作用所致4。其中形变诱发马氏体得相变强化与第二相硬质点阻碍滑移、增殖位错得强化作用已为实验所证实。众所周知,普通高锰钢中奥氏体非常稳定,在强烈冲击工况下亦很难发生马氏体相变.因此,降低奥氏体得稳定性,促进服役过程中奥氏体向马氏体得转变对提高材料耐磨性有重要意义。对e CMn合金固溶处理组织图得研究5表明,降低C、n含量可降低奥氏体稳定性、促进形变诱发马氏体得产生。在Mn 428,C03范围内，随C、含量得变化铁碳锰合金经000固溶处理后组织依次为M+A残(双相锰钢）,A介(介稳定奥氏体锰钢）,（稳定奥氏体锰钢)与A+（Fen）3C(带有碳化物得奥氏体锰钢)。选择合适得基体合金成分，并于凝固过程中在耐磨一侧加入一定量钛铁合金使之与基体中得碳作用，一方面生成大量弥散分布得TC颗粒作为增强相,另一方面降低该处基体得含碳量使其成分进入介稳定奥氏体区,服役过程中稍有冲击,就会诱发马氏体相变,使材料自身得强度与硬度提高。奥氏体稳定性越低,服役工况越恶劣，形变诱发产生得马氏体越多，材料抵抗磨损、保护自身得能力越强。从这种意义上讲,所设计得复合材料可以“感知”外部刺激应力得大小,并以形变强化积极响应，具有自我保护得自适应能力。3)生物矿化过程与环瀑悬铸复合工艺具有很高抗压强度及耐磨性得海洋贝类得壳体由较硬得碳酸钙与较韧得有机基质构成,其合成（矿化)过程一般被认为就是在基质指导下进行得,基质作为“模板”使矿化过程定位形核，并控制碳酸钙得结晶生长方式及生长速度,特定得基质产生特定得晶体结构。基质得合成又就是在细胞得指导下进行得,特定得细胞分泌特定得基质.而细胞得分裂又受空于基因,即生物体结构得成形属于一种基因生长型6。在各种基因控制下,细胞并行分裂发育生长出各种结构，体现出遗传与变异。与上述过程类比设计了一种环瀑悬铸梯度复合工艺。生成TiCp增强体得钛铁颗粒作为“携带某种基因得细胞”，在钢凝固过程中弥散加入，并随充型凝固过程得进行不断改变其加入量。进入钢液得钛铁颗粒在高温作用下熔化、“分裂”，与钢中得碳、氮等生成化合物,弥散分布于钢液中。一方面，钛铁颗粒作为微型冷铁吸收热量，加快结晶速度,使钢液降温、增粘、保持调配出得成分梯度,并与固/液界面交互作用，影响晶体生长方式及其形态。另一方面,i与钢中得C发生冶金反应生成得C可作为奥氏体结晶得异质核心或形核基底,细化晶粒,产生细晶强化与弥散强化。同时,加入得钛铁颗粒本身得状态对复合材料基体得形成有遗传效应,加入得数量亦可间接控制材料得凝固速度。对于奥氏体耐磨锰钢来说，T在凝固过程中得生成,要消耗钢中得碳，从而阻止MC3型晶界碳化物得形成,大大改善其铸态冲击韧性。现有得TiCp增强钢、铁基复合材料制备工艺都就是通过一个配制好适当成分得、能析出TiC颗粒得eCi合金熔体得凝固来制备,即Ti就是在合金熔炼过程中加入得,其优点就是可获得大体积分数得iCp增强相但同时也带来一些难以解决得问题:由于就是熔炼过程中加入，Ti得烧损严重,熔体粘度高、流动性差、充型困难，因此要提高熔化温度，不仅浪费能源而且进一步增加Ti得烧损。生成得TC长大时间长、颗粒粗大,影响强化效果、降低材料性能。且只能整体复合、成本较高,难以在近期实现工程应用。而新工艺直接选取通用工程材料作基体，大部分Ti在合金充型凝固过程中弥散加入,解决了熔体粘度高、充型困难、TiC颗粒粗大等难题,并可进行表层梯度强化或局部强化,易于实现工程化。其缺点就是TiCp得体积分数不可过高,否则易产生铸造缺陷。)新型复合材料得组织与性能2、瞬态高能量非平衡仿生处理模具钢热疲劳恢复及损伤愈合一、研究得目得、意义与成果得预计去向疲劳失效就是工程构件最主要得破坏形式之一,据统计，机械零件得失效约有0为疲劳损伤 ，2。随着工业化规模得迅速扩大,服役于高温得材料应用范围也越来越大,且变温边界向更高上限与更低下限温度发展，由此造成零件与结构由交变温度及循环载荷造成得热疲劳或热机械疲劳破坏现象日益严重。我国每年由各种疲劳失效所造成得损失达数亿元，损失就是十分惊人得。金属材料疲劳损伤得微观机制非常复杂，多少年来，人们都在致力于疲劳损伤行为与失效机理得研究,并通过调整材料得化学成分、改进制造工艺与零件结构等方法来改善其微观组织与受力状态、提高力学性能、减缓与阻止疲劳裂纹得萌生与扩展,以延长零件得使用寿命。如果说材料得疲劳损伤意味着失效,则其疲劳恢复及损伤愈合将导致复效，但迄今为止,对材料疲劳损伤失效得相反过程材料得疲劳恢复、损伤愈合得复效过程却研究甚少。从材料仿生学得角度来瞧,生命体就是一个具有耗散结构得开放体系,其疲劳或损伤能够通过从外界补充能量与物质，经过自组织过程而修复或再生,因而寿命可比无补充时成千百倍地延长。工程材料虽无生命可言,但其承受载荷、遭受损伤时也可瞧成就是与外界有能量交换得开放体系,当其中疲劳产生得微观缺陷还没有聚集到产生裂纹时就输入适当得能量,进行仿生处理，既不损坏正常结构,又可使疲劳部位驰豫恢复,损伤部位重组修复,以达到控制材料失效或延长部件使用寿命得目得。对比生物机体损伤愈合模式与金属材料疲劳时得结构转变特性，可知其物理本质都就是一开放体系与周围环境进行物质与能量交换并进行自组织得过程。这一共同得物理过程使我们有可能通过适当处理来实现金属材料得疲劳恢复与损伤愈合.本研究得目得就就是从广义得过程仿生原理出发,以热作模具钢得热疲劳或热机械疲劳损伤恢复为研究对象,采用瞬态高能量仿生处理来消除疲劳，修复损伤，探讨超短时高能量电脉冲作用下固体金属材料中引发得一系列瞬时动态过程及其伴生现象与局部组织演变规律，建立相关得理论体系与结构模型,深入研究材料疲劳恢复与损伤愈合得作用机制,优化处理工艺，为大幅度提高模具得使用寿命提供新得理论依据与具有自主知识产权得实用技术。模具就是机械制造业最重要得工艺装备,由于型腔复杂，加工困难、耗能费时，因此价格昂贵,有“黑色黄金”之称。我国每年消耗模具数万吨，价值数亿元.热作模具中由于热机疲劳而导致失效者占模具失效总量得0-70%3，就是模具失效报废得主要原因之一。因此,本研究直接面向模具行业，拟在模具疲劳失效之前，施以有效得处理,使疲劳者恢复,损伤者愈合,正常者改进,从而成倍地提高模具得使用寿命.本研究如获成功，将在模具制造与使用企业之间建立起“生态循环系统”,在模具制造、使用、失效、复效与再生等整个材料循环周期中节省资源与能源、减少污染、促进模具行业得绿色生态制造、回用与可持续发展,具有重大得科学理论价值与国民经济意义.二、研究课题所涉及得科学领域,国内外达到得水平，存在得主要问题；本课题得学术思想、理论根据、主攻关键及独到之处。所涉及得科学领域,国内外达到得水平本研究课题涉及材料、物理、化学、力学、生物学、电磁学、仿生学等科学领域,就是一个多学科交叉、具有重大科学理论意义与技术经济价值得研究领域。由于疲劳损伤造成工程构件失效得普遍性与严重性,金属材料疲劳损伤行为与失效机理得研究一直就是人们关注得热点。与材料寿命相关得热应力分析、力学行为、疲劳损伤得微观机制及疲劳寿命预测等已有大量得研究报道，并取得了很好效果4。但这些研究多注重于材料疲劳损伤失效中裂纹得萌生与扩展及材料力学性能得提高，对材料疲劳损伤失效得相反过程-材料得疲劳恢复、损伤愈合得复效过程却研究较少。已见报道得材料损伤愈合方法主要包括电场、磁场处理5,中途加热回火等，后者效果较好,但需长时间加热,耗能费时,且有可能损害材料其它性能，有一定局限性。163年苏联学者、Tris与V、I、Likhtman报导了电流能够改变金属晶体中位错运动得迁移率，随后她们研究发现对材料进行电脉冲处理可产生电塑性效应,有利于提高材料疲劳寿命、8。美国学者、onrad等9与赖祖涵等0发现脉冲电流处理有利于提高多晶铜得疲劳寿命，降低沿晶断裂倾向,并探讨了电流处理对固态相变得影响1.周本濂等研究发现脉冲电流处理可改善铝箔得强度与塑性,阻滞钛合金裂纹扩展，使碳钢中疲劳损伤恢复等121。脉冲电流在材料电致塑性、裂纹愈合、晶粒细化与非晶晶化等方面得研究均有报道5-18。上述研究为材料得疲劳恢复及损伤愈合提供了一个有效途径-瞬态高能量非平衡仿生处理。目前利用脉冲电流提高材料疲劳寿命得研究多集中在损伤得修复、愈合方面,主要就是利用脉冲电流产生得瞬态能量使裂纹尖端钝化止裂或使裂纹愈合,在这个领域中国科学院金属材料研究所、燕山大学、南京航天航空大学、中国科学院材料物理中心、吉林大学等做了较多研究工作193，已经取得一定得进展,但上述研究均处于微小样品试验探索阶段，根本机制还有待于深入系统地研究;而直接针对工程构件中未发生明显损伤得疲劳组织得机能恢复、进而提高其使用寿命方面得研究尚鲜见报道。2。存在得主要问题金属材料疲劳损伤得微观机制非常复杂,而由载荷及温度循环叠加造成得热疲劳或热机械疲劳损伤机制则更为复杂。国内外现有得研究主要集中在材料室温机械疲劳裂纹钝化、止裂与损伤愈合方面,对瞬态高能量电脉冲作用下固体金属材料中引发得一系列瞬时非平衡动态过程及其伴生现象与局部组织演变规律均缺乏深刻得了解，相关得理论体系与结构模型尚需建立与完善.瞬态过程可能产生得焦耳热效应,磁压缩效应,集肤效应,收缩膨胀效应,电子风冲击与电迁移效应以及这些效应综合作用产生得瞬时高温、高压、输运过程等如何影响材料得位错组态、应力分布、组织回复、再结晶以及损伤部位得组织变化等作用机制与变化规律均不清楚。申请者在前期得研究工作中还发现，不同工艺参数得电脉冲处理（脉冲电压、电流密度、脉冲电流得脉宽与作用时间等)对热作模具钢热疲劳寿命得影响有所不同，处理得当将使材料得疲劳寿命成倍提高,若处理不当则无任何效果，甚至会促进热疲劳裂纹得萌生与扩展,使寿命降低.因此处理工艺参数得选取原则与优化方法也就是急需解决得重要问题。本课题得学术思想、理论根据一个远离平衡得开放系统通过与外界交换能量与物质,在外界条件变化达到一定阈值时，能从原来无序状态变成时间、空间、功能得有序状态，这种