轻质多功能仿生结构的机理与制备研究

轻质多功能仿生结构是仿甲虫鞘翅和其它生物结构的一种构形仿生结构，具有轻质、高强/刚重比，兼具热防护等优良性能，是航空航天飞行器、轨道交通、汽车船舶等高新技术产业领域发展最具美好前景的材质结构。.申请人及其课题组在前期研究甲虫鞘翅微结构和材料拓扑分布规律时，发现甲虫鞘翅是一种具"桥墩"状连接的空腔复合层状结构，其密度仅为0.89g/cm3，但比强度几乎和铝合金相当。为此，项目提出以甲虫鞘翅微结构的几何拓扑为轻质结构构形设计的生物模板，研究基于碳纤维复合材料的轻质多功能仿生结构的构形仿生、多功能协同设计、多目标优化的测评理论和技术及其制备方法和工艺规范，为工程应用提供理论和技术支撑，并以航空航天飞行器、汽车、轨道交通等对轻质多功能结构材料的需求，从仿生启示-理性设计-制备技术-性能测评等4个方面开展工作，最终获得新型轻质结构材料。

近年来随着高新技术产业的飞速发展，对材料的轻质高强、耐损失等提出了更高要求，传统材料已无法满足这一需求，越来越多的科研工作者将目光转向了大自然，希望从中汲取设计灵感。课题通过对甲虫鞘翅微结构的观测及其力学性能测试，开展了甲虫轻质、高强、耐损伤鞘翅结构的几何构形、力学性能及拓扑规律的研究，获得了多功能轻质结构设计的原创理念；设计出多种具有工艺可行性的仿生轻质结构；采用模压成型法和共固化方法基于碳纤维复合材料制备了轻质结构试样，探索了结构制备的工艺规范，并对仿生结构进行了力学性能测试和有限元分析；通过将新型仿生轻质结构与工程上常用的蜂窝结构进行压缩力学性能对比，表明了所设计的仿生结构具有更高的比强度；利用热学测试和有限元分析，对仿生轻质夹芯结构进行了热学性能研究和改进设计，使改进后的夹芯结构在300C高温下仍具有较好的力学性能；进一步地，课题还开展了仿甲虫鞘翅轻质结构在飞机大开口区的多功能协同优化设计，以及在航天飞行器翼舵类结构件上的拓扑优化设计，并对仿生轻质结构单元进行了参数优化设计和传热性能优化，从而获得结构材料的最大比强度和比刚度，以及优异的传热性能。课题研究结果表明，所设计的新型仿生结构具有高的比强度和比刚度，且具有热防护性能，是一种理想的轻质多功能结构材料。