Bioinspired MEMS Composites
仿生 MEMS 复合材料
基本信息
- 批准号:0226373
- 负责人:
- 金额:$ 9万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2002
- 资助国家:美国
- 起止时间:2002-06-15 至 2004-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Laminated structures comprised of mostly brittle constituents offer promise in a wide range of applications of national interest. These include: Hot section components in aircraft engines, pavement materials for airfields and roads, and electronic packaging.A combined fabrication, experimental and theoretical study of the mechanical properties of bioinspired MEMS (microelectromechanical systems) composites will be supported under an SGER award. The results will impact the development of improved synthetic ceramic-based laminates. The inspiration for this proof-of-concept effort comes from mollusk shells, which are naturally-occurring ceramic/polymer composites, with a very high volume content (95-99%) of the ceramic phase, a small quantity of organic (proteinaceous) "matrix" (1-5%), and which show impressive and unusual strength, toughness, and hardness. The microarchitecture of mollusk shells will be approximated in MEMS structures by alternating layers of silicon carbide (to imitate the ceramic phase in the shells) and carbon (to imitate the relatively weak protein interphase). This part of the research not only will verify that the experimentally-identified shell microarchitectures and fracture/deformation mechanisms can be utilized to make bioinspired strong, tough and hard materials, but will also contribute to the development of MEMS fabrication technology, and to other electronic devices with superior mechanical properties. The proposed research involves the following tasks: Task 1: Fabrication of model brittle matrix composites with bio-inspired laminated architectures. MEMS technology will be used to design and fabricate a silicon carbide/carbon composite that mimics the crossed-lamellar structures of the shell of the giant pink conch, Strombus Gigas. The strength and toughness of this structure will be measured experimentally to assess how close the biomimetic design is to the natural design. Task 2: Theoretical modeling of mechanical response. The interpretation of experimental results, and determination of the essential features of the natural designs that lead to optimization of mechanical properties will be supported by micromechanical and global models to be developed as part of the research.
主要由脆性成分组成的层压结构为国家利益的广泛应用提供了希望。其中包括:飞机发动机中的热部件、机场和道路的路面材料以及电子封装。SGER 奖项将支持仿生 MEMS(微机电系统)复合材料机械性能的综合制造、实验和理论研究。 研究结果将影响改进的合成陶瓷层压板的开发。这项概念验证工作的灵感来自软体动物壳,它是天然存在的陶瓷/聚合物复合材料,具有非常高的陶瓷相体积含量(95-99%)和少量有机(蛋白质)“基质”(1-5%),并且表现出令人印象深刻且不寻常的强度、韧性和硬度。软体动物壳的微结构将通过交替的碳化硅层(模拟壳中的陶瓷相)和碳层(模拟相对较弱的蛋白质界面)来模拟 MEMS 结构。这部分研究不仅将验证实验确定的壳微结构和断裂/变形机制可用于制造仿生强韧硬材料,还将有助于MEMS制造技术以及其他具有优异机械性能的电子设备的发展。拟议的研究涉及以下任务: 任务 1:制造具有仿生层状结构的模型脆性基体复合材料。 MEMS 技术将用于设计和制造碳化硅/碳复合材料,模仿巨型粉红色海螺 Strombus Gigas 外壳的交叉层状结构。该结构的强度和韧性将通过实验测量,以评估仿生设计与自然设计的接近程度。任务 2:机械响应的理论建模。作为研究的一部分,将开发的微机械和全局模型将支持对实验结果的解释以及对导致机械性能优化的自然设计的基本特征的确定。
项目成果
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