仿生材料的制备与力学性能研究

论文摘要

纳米技术和纳米材料研究在不断深入。由于纳米材料独特的结构和性能，在仿生材料制备领域中，微纳米仿生材料研究已经成为人们关注的前沿课题。制备孔径纳米级的有序多孔薄膜，一直是研究的热点问题。尤其是这种孔径可控且有序规则的微纳米多孔薄膜，因为其可能用于新型人工肾而倍受重视。微纳米线阵列材料的出现，使得仿壁虎爪等仿生物结构功能的研究热了起来。 本文以人工肾的新型设计为背景，用电化学法制备了阳极氧化铝纳米孔多孔薄膜，并进行了结构表征。设计了纳米多孔结构材料的力学性能测试方案，深入地实验研究了阳极氧化铝多孔膜的力学性能。同时，初步将纳米多孔膜，应用在纳米线阵列这种仿壁虎脚部结构功能的干粘结的制备上。探索了纳米线阵列的范德瓦尔斯力测试方法，测试了碳纳米管线阵列和氧化锌纳米线阵列的范德瓦尔斯附着力及其与预压力的关系。本文主要工作如下： 1)通过电化学两步阳极氧化法制备了氧化铝多孔薄膜材料，对薄膜的结构特征进行了分析和表征。在制备工艺的改进使得纳米有序结构更有序和可控，运用图像处理方法表征了空隙率。纳米孔径大小均匀，膜胞基本上呈中心正六边形排列规则，孔洞沿厚度方向相互平行，且垂直样品的表面。可以根据应用背景的不同，确定适当的试样制备工艺条件，制备不同厚度、不同孔径大小的纳米多孔模板。 2)纳米多孔薄膜的力学性能对其应用有重要意义，由于具有几何上是毫米-微米-纳米的大跨尺度的结构特点，理论分析和数值模拟都非常困难。本文用实验方法研究了其力学性能。首先，设计了一套微纳米薄膜的鼓膜测试装置，利用光学测试的时间序列散斑干涉法，测试多孔薄膜的鼓膜变形。基于鼓膜变形测试的结果，依据经典的板壳理论的力学模型，获得了多孔介质材料的等效弹性模量和破坏强度。同时，在拉伸机上用双光束散斑干涉法测量了薄膜材料的拉仲性能，得到了拉伸等效宏观弹性模量及拉伸强度。比较两种测试结果发现，多孔薄膜的宏观等效弹性模量约为65GPa，拉伸强度和鼓膜强度约为100MPa。这就在一定意义上验证了测试方法和测试结果的可靠性和正确性。另一方面，还基于多普勒效应的测振技术，测试了多孔膜的动态性能，得到圆形薄膜试样的前三阶振动模

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 序言
• 1.1 纳米科技的发展
• 1.2 纳米材料
• 1.3 仿生技术简述
• 1.4 仿壁虎爪的生物材料—超强干粘结剂
• 1.5 选题背景、研究内容和意义
• 1.5.1 选题背景
• 1.5.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 氧化铝多孔膜的制备、表征和力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 阳极氧化铝多孔膜的制备和表征
• 2.2.1 制备工艺
• 2.2.2 氧化铝多孔膜的结构表征
• 2.3 氧化铝多孔膜电解阳极氧化的动力学分析和自组织模型理论
• 2.3.1 生成动力学
• 2.3.2 孔的自组织模型
• 2.4 氧化铝多孔膜的力学性能研究
• 2.4.1 鼓膜法测试氧化铝多孔膜的双轴弯曲性能
• 2.4.1.1 鼓膜装置
• 2.4.1.2 时间序列散斑干涉法
• 2.4.1.3 氧化铝薄膜鼓膜变形时间序列散斑测试
• 2.4.2 拉伸实验
• 2.4.2.1 拉伸实验过程
• 2.4.2.2 实验数据处理
• 2.4.2.3 拉伸性能分析
• 2.4.3 基于激光多普勒技术的氧化铝多孔膜振动性能的研究
• 2.4.3.1 激光多普勒原理
• 2.4.3.2 实验过程
• 2.4.3.3 测试结果
• 2.4.3.4 实验结论和讨论
• 2.4.4 氧化铝多孔膜力学性能总结及讨论
• 2.5 本章总结
• 参考文献
• 第三章 仿壁虎爪干粘结剂制备和附着力的测试研究
• 3.1 引言
• 3.2 壁虎爪的结构和附着力机制
• 3.3 微尺度粘着弹性接触理论
• 3.3.1 接触问题的DMT理论
• 3.3.2 接触问题的JKR理论
• 3.4 仿生壁虎爪粘结剂的研制状况
• 3.5 仿壁虎脚部功能的微纳米毛阵列的制备的考虑
• 3.5.1 仿壁虎爪的人工合成的材料要求
• 3.5.2 微纳米阵列的几何参数要求
• 3.5.3 纤毛阵列材料的制备方法
• 3.6 纳米纤毛阵列微区的附着力测定实验
• 3.6.1 实验设备
• 3.6.2 实验试样
• 3.6.3 实验程序
• 3.6.4 实验结果
• 3.7 总结和讨论
• 参考文献
• 第四章 总结与展望
• 4.1 全文工作总结
• 4.2 未来工作展望
• 致谢
• 附录:作者攻读博士学位期间已发表或完成的工作