仿生材料PPT课件.
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仿生材料ppt
构） 松质骨，羟基磷灰石+胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的 壳基质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 贝壳的结构一般可分为3层： ✓ 最外一层为角质层，很薄，透明，
有光泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。 ✓ 中间一层为壳层，又称棱柱层，占 贝壳的大部分，由极细的棱柱状的 方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 ✓ 最内一层为壳底,即珍珠质层，富 光泽，由小平板（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的 壳基质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 贝壳的结构一般可分为3层： ✓ 最外一层为角质层，很薄，透明，
有光泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。 ✓ 中间一层为壳层，又称棱柱层，占 贝壳的大部分，由极细的棱柱状的 方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 ✓ 最内一层为壳底,即珍珠质层，富 光泽，由小平板（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
仿生设计ppt课件
信息仿生
水母耳与电子耳
“耳”（细柄上的小球) 中有小小的听石，上面 布满神经感受器，能听 到风暴产生时发出的次 声波（由空气和波浪摩 擦而产生，频率为8赫 兹-13赫兹，传播比风 暴、波浪的速度快） “水母耳”风暴预测仪 可提前15小时左右预报风暴
控制仿生
研究生物机体控制系统的结构与功能原理，并 用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制 系统。 当前研究较多的是体内稳态、反馈调节、肢体 运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落 和人－机合作。 .蛇的红外探测 .蝙蝠与超声波 .蛾的反雷达技术 .动物的天然导航
仿生设计
主要内容
仿生学概念 仿生学的研究方法 仿生与工程技术
一、仿生学简介
仿生学(Bionics)
模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者 使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟 轮子 船橹 透镜 电池 飞机
生活中的仿生学
动物体的结构对功能的适应性
信息仿生
青蛙与电子蛙眼
青蛙的视觉系统
由透镜（晶状体） 在视网膜上形成光 学图像后，经过视 细胞、双极细胞、 输出细胞（神经节 细胞）而送往大脑 中枢
信息仿生
青蛙与电子蛙眼
神经节细胞有4种： 1. “边缘侦察器”：感受外围 物体的边缘 2. “昆虫侦察器”：感受移动 的昆虫 3. “事件侦察器”：感受亮度 的变化 4. “光强减弱感受器”：感受 光线减弱时阴影的暗色部分 ★ “电子蛙眼”：人造卫星跟 踪系统、雷达系统、信息处 理系统等
结构适应于功能是动物中的
普遍现象
不同的动物，其形态结构特
征可以有相当大的差别。动 物为适应自然的选择，产生 了各种各样的形态特征。
《壁虎仿生材料》PPT课件
1.1壁虎的吸附机制
01
粘液说？
壁虎的脚底根本不存在腺体
02
吸盘说？
壁虎放在玻璃罩子里，然后把玻璃 罩里的空气抽走，结果壁虎仍然可 以爬上垂直的玻璃
03
静电说？
使用x射线轰击靶材消除静电 引力后，在离子化的条件下刚 毛仍然能够实现粘附。
·
04
范德华力?！
1.1壁虎的吸附机制
范德华力?！
假设为范德华力：壁虎脚部的粘附力随着所接触基底的表面能的增 加而增加，Kellar Autumn等人利用单根刚毛的粘附力，使用JKR模
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.1仿壁虎粘附阵列的设计
仿壁虎粘附阵列的设计应使其具有较强的粘附力、可控制脱离、能适 应不同粗糙度的表面、自洁性和耐久性。
Gaurav J Shah等人将 壁虎的层状阵列简化为 图所示的模型，其中 L为nm级绒毛的长度； a为绒毛半径； w为绒毛间距； θ为绒毛倾角。
型对抹刀形顶端的半径进行了近似估计，结果为0．13~0．16 um， 与实验测量值很接近。
他们使用两种不同的疏水性聚合物(硅树脂橡胶和聚酯树脂)制造了仿壁
虎的绒毛结构，并测量其与AFM探针间的粘附力，发现47％~63％ 的粘附力都是由范德华力提供的。在这几种主要证据的支持下，范
德华力被普遍认为是壁虎实现粘附的主要机理。[1]
本模板的所有素材和逻辑 图表，均可自由编辑替换 和移动。
1.1壁虎的吸附机制
Kellar Autumn等人利用MEMS技术制造的高精度二维压阻悬臂梁测量了壁虎单根刚毛的粘附 力，最大值为194+25 uN 。所有刚毛同时粘附并达到最大值时，壁虎的脚掌可产生约1300 N 的粘附力。[1]
1.2壁虎的脱离机制
仿生设计PPT课件
手手与与手游耙与标（碗卡耙（尺的捧（功的测能功量）能功）能） 手与钳子（捏的功能）
.
39
仿色彩设计
塑料榨汁器设计
Apple iMac电脑
.
煮蛋器设计
40
四季色彩的变化
.
41
.
42
❖ 仿肌理设计
仿水果表面肌理的饮料盒包装
.
43
.
44
仿生物意象
.
45
.
46
❖ 流、盖、鋬(pan)以至壶身，各部份皆显得圆圆饱饱，塑造 出敦厚纯朴、乐天知命的渔翁造型。圆锥状流向出水处收 缩；提把下粗上细的设计，营造出开朗的意味。
它比较逼真的再现事物的形态，由于具象形态具有很好 的情趣性、可爱性、有机性、亲和性、自然性，人们普遍乐 于接受，在玩具、工艺品、日用品应用比较多。但由于其形 态的复杂性，很多工业产品不宜采用具象形态。
.
10
.
11
Pond Lily台灯
.
12
②抽象形态的仿生
抽象形态是用简单的形体反映事物独特的本质特征。由 于是对生物形态的抽象的概括，这种形态具有高度的简化 性和概括性，设计者从知觉和心理角度有意无意地把形态 的本质通过抽象变化，用点、线、面的组合来表现。
.
55
仿生设计的步骤
❖ 仿生对象特征的收集与整理 ❖ 确定仿生对象的选取视角
整体选取还是局部选取 动态定格还是静态定格 ❖ 对仿生对象进行抽象和简化 简化、几何化、变形和夸张
.
56
.
57
花型的逐格抽象训练
.
58
松鼠的几何化逐格抽象训练
.
59
公牛图 毕加索
.
60
二维仿生形态——三维仿生形态的演变方法
仿生智能材料 ppt课件
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
ppt课件
7
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
•2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠
覆盖，每一个鳞片上分布有排列
整齐的纳米条带结构，每条带由
倾斜的周期性片层堆pp积t课件而成。
8
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
ppt课件
24
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过 程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取 代的过程。
气液
液
固
固
(1)沾湿
ppt课件
固 气液
固液
(2)浸渍润湿
25
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
液
液
气
固
固
(3)铺展or完全润湿
身体的重量，它在水
面上每秒钟可滑行
100倍于身体长度的
距离。
ppt课件
水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和
油脂的协同效应
10
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿部有数 千根按同一方向 排列的多层微米 尺寸的刚毛（直 径3um），刚毛 表面形成螺旋状 的纳米沟槽结构。
ppt课件
Cassie model
cosc f1 cos1 f2 cos2
30
cosc f1 cos1 f2
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
生物材料学-第9章 仿生材料
30
9.4 仿生材料研究的方法
仿生材料的研究期望通过结构仿生和功能仿生及其理论 计算与模拟，获得高效、低能耗、环境和谐与快速智能 应变的新材料及其新性质。
通过制备与生物相似结构或者形态，得到人造材料新的 性能和与自然界不同的特异性能，如人工类珐琅质、高 强韧陶瓷、仿生人工骨材料、仿蜘蛛人造纤维;
模仿的形态包括：体表形态结构、 翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的 形状、昆虫巢穴形态及结构等。
6
仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施
7
蝴蝶翅膀鳞片仿生
然置功度阳 模 变不实而光 仿 化断现调照 蝴 的变对节射 蝶 控化人体方 翅 制而造温向 面 。引卫的自 上
起星原动的 温由理变鳞 度于，换片 骤位成角随
第九章 仿生材料
1
仿生学 ?
从自然到技术的思想或概念，对应的英文单词：
Bionics (仿生) Biomimetics (仿生)
Bionics取自拉丁文“bios” (生命方式)和词尾“nic”(具 有……性质的).
Biomimesis (生物拟态)
Biognosis (生命论/生物论)
bio-inspiration (生物灵感)
3
仿生学：生命科学、物质科学、信息科 学、工程技术、数学与力学、系统科 学等多学科的交叉.
仿生学可应用于所有技术领域和大多数 应用领域.
生活中的仿生学
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟
轮子 船橹 透镜 电池 飞机
4
昆虫是地球上分布 最广的动物
天地地水 上上下中 飞爬钻游
5
昆虫形态的仿生
模仿昆虫外部形态及其特征，构建 实用的技术系统或制造产品。
18
疏水——自然界的 启发
9.4 仿生材料研究的方法
仿生材料的研究期望通过结构仿生和功能仿生及其理论 计算与模拟，获得高效、低能耗、环境和谐与快速智能 应变的新材料及其新性质。
通过制备与生物相似结构或者形态，得到人造材料新的 性能和与自然界不同的特异性能，如人工类珐琅质、高 强韧陶瓷、仿生人工骨材料、仿蜘蛛人造纤维;
模仿的形态包括：体表形态结构、 翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的 形状、昆虫巢穴形态及结构等。
6
仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施
7
蝴蝶翅膀鳞片仿生
然置功度阳 模 变不实而光 仿 化断现调照 蝴 的变对节射 蝶 控化人体方 翅 制而造温向 面 。引卫的自 上
起星原动的 温由理变鳞 度于，换片 骤位成角随
第九章 仿生材料
1
仿生学 ?
从自然到技术的思想或概念，对应的英文单词：
Bionics (仿生) Biomimetics (仿生)
Bionics取自拉丁文“bios” (生命方式)和词尾“nic”(具 有……性质的).
Biomimesis (生物拟态)
Biognosis (生命论/生物论)
bio-inspiration (生物灵感)
3
仿生学：生命科学、物质科学、信息科 学、工程技术、数学与力学、系统科 学等多学科的交叉.
仿生学可应用于所有技术领域和大多数 应用领域.
生活中的仿生学
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟
轮子 船橹 透镜 电池 飞机
4
昆虫是地球上分布 最广的动物
天地地水 上上下中 飞爬钻游
5
昆虫形态的仿生
模仿昆虫外部形态及其特征，构建 实用的技术系统或制造产品。
18
疏水——自然界的 启发
仿生复合材料PPT课件
如哑铃状的碳化硅晶须，延展性明显提高。 分形结构的碳纤维增强环氧树脂，强度和韧性比普
通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态
.
8.2.2.2. 分子尺度的化学仿生
✓复合相界面的化学仿生和复合材料单体结 构化学仿生。
✓a界面化学键仿生 ✓b单体化学分子结构仿生
.
8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
连续纤维的脆性和界面设计的困难 纤维易由基体拔出导致增强失效 晶须的长径比不易选择 寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到困难 需求复合材料损伤性能的恢复方法和内部 裂纹的愈合方法
.
生物材料最显著的特点是具有自我调节功能，再 者具有一些自适应和自愈合能力，而研究的重要 课题如下：
.
例如断骨的自愈合
.
8.2 复合材料的仿生 设计和制备
– 多层涂层、梯度涂层虽然可以做到消除热应力引起的裂纹， 但涂层受到外力损伤，容易失去抗氧化的功能。
– 陶瓷/碳复合材料处于高温氧化性环境，表面首先碳化，形 成陶瓷颗粒组成的脱碳层。
– 脱碳层的陶瓷颗粒氧化增大体积或熔融浸润整个材料表面， 氧气的扩散系数研究
.
8.2.3复合材料仿生制备的可行性途径
仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 用分形树状氧化锌晶须的制备 碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤 维螺旋的制备新方法 自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 仿生叠层复合材料的制备
.
北京工商材料科学与工程学 院
.
8.2.2复合材料的仿生设计方法分类
.
8.2.2.1界面宏观拟态仿生设计
复合材料界面的作用：是增强物和基体连接的桥梁， 同时也是应力及其它信息的传递者，界面的 性质 直接影响着复合材料的各项力学性能。
通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态
.
8.2.2.2. 分子尺度的化学仿生
✓复合相界面的化学仿生和复合材料单体结 构化学仿生。
✓a界面化学键仿生 ✓b单体化学分子结构仿生
.
8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
连续纤维的脆性和界面设计的困难 纤维易由基体拔出导致增强失效 晶须的长径比不易选择 寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到困难 需求复合材料损伤性能的恢复方法和内部 裂纹的愈合方法
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生物材料最显著的特点是具有自我调节功能，再 者具有一些自适应和自愈合能力，而研究的重要 课题如下：
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例如断骨的自愈合
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8.2 复合材料的仿生 设计和制备
– 多层涂层、梯度涂层虽然可以做到消除热应力引起的裂纹， 但涂层受到外力损伤，容易失去抗氧化的功能。
– 陶瓷/碳复合材料处于高温氧化性环境，表面首先碳化，形 成陶瓷颗粒组成的脱碳层。
– 脱碳层的陶瓷颗粒氧化增大体积或熔融浸润整个材料表面， 氧气的扩散系数研究
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8.2.3复合材料仿生制备的可行性途径
仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 用分形树状氧化锌晶须的制备 碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤 维螺旋的制备新方法 自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 仿生叠层复合材料的制备
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北京工商材料科学与工程学 院
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8.2.2复合材料的仿生设计方法分类
.
8.2.2.1界面宏观拟态仿生设计
复合材料界面的作用：是增强物和基体连接的桥梁， 同时也是应力及其它信息的传递者，界面的 性质 直接影响着复合材料的各项力学性能。
仿生材料PPT课件
田径比赛
起跑姿势：下蹲式（仿袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来再跳 游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）
比直立式更快）
第二节 人类仿生的发展历史
鲁班 观察丝矛草叶子
仿其边缘的细齿结构
发明锯子
观察鱼在水中的游泳 仿鱼类的形体 发明木船 仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵 鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之，三日不下” 达· 芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机 （飞机的雏型）
第一章 绪 论
第一节 仿生学
蜘蛛丝的强韧性； 蜻蜓出色的飞行本领； 苍蝇的多种特殊功能； 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀； 夜间活动型蛾（Night Moth）的眼 蜂巢奇妙的构造； 蟑螂灵敏的感知能力； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
主要参考资料：
1. 2. 3. 4. 5.
6.
《Nature》近期杂志。 《Science》近期杂志。 《Biomacromolecules》近期杂志。 《Advanced Materials》近期杂志。 《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志。 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）。
大象的奇妙行为-怪异的步伐
大象的奇妙行为
大象属于恒温动物 大象能承受的体温变化较大 大象居于炎热地带 其散热方式和身体结构有关。
大象的奇妙行为
大象的沟通方式很复杂。 同步前进相隔很远的象群是怎样进行 遥感沟通的?
仿生设计赏析PPT课件
第7页/共16页
●水母房子
这栋造型别致的房子是由美国加州建 筑师以水母为灵感设计的，是高科技 的产物。整个房子无论外形或者内部 构造都与海洋生物水母相似，房子内 部很大部分由液体构成，让人真正地 感受到在海中生活，离不开水，融于 自然的神奇。
之所以整屋子的“水”，是由于 这房子的设计运用了特殊的外部包膜 和过滤系统，使得雨水在经过净化后 储存于墙壁内，“水”进入到房子内 部，在房内流动，为房子的加热或冷 却系统提供“原料”。设计师还在做 进一步研究，希望“水母”房子除了 具有艺术美感，还能做到真正更好的 节约“能源”。
基于生物表面肌理与质感的仿生设计
● 提速武器——鲨鱼皮泳衣
在2008年北京奥运会上，美国游泳名将迈克尔·菲尔普斯凭借8枚金牌创造一项新的世界纪 录。能够取得如此骄人的成绩自然首先归功于多年的刻苦训练和令对手羡慕的天赋，但 他所穿的Speedo泳衣可能也让他拥有某种优势，这种超级泳衣使用的材料模仿鲨鱼皮的 形状和质地。 鲨鱼皮是人们根据其外形特征起的绰号， 它的核心技术在于模仿鲨鱼的皮肤。鲨鱼皮表 面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过进而实现 快速游动。
第13页/共16页
●鸡蛋椅
阿恩·雅各布森（ArnettJacobsen)受到鸡蛋优美的曲线的启发设计 出了蛋形椅。外形似鸡蛋，人们坐上去会感受到很舒服，很安全。
第14页/共16页
谢谢观看
第15页/共16页
感谢您的观看！
第16页/共16页
第12页/共16页
●模仿海鸥的侦察机
美国佛罗里达州大学工程师里克·林 德(Rick Lind)从海鸥身上得到启发， 研制出一种能在高层建筑周围寻找 出路，同时又可猛扑向林荫大道的 远程遥控侦察机，很多现代战场正 是由高层建筑和林荫大道构成。图 片中，林德手拿的就是基于海鸥可 在“肩部”和“肘部”弯曲翅膀的 这种能力设计的飞机原型。笔直的 “肘部”在最大程度上提高稳定性； “肘部”以下部分则提高飞机在骤 降、俯冲和翻滚时的灵活性。
仿生材料ppt课件
1997 年德国植物学家Barthlott 发现荷叶表面的自清洁效 应和超疏水现象。 所谓超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于 150°且 滚动角小于10°的表面, 这种表面在工农业生产及日常 生活中有着广泛的应用, 例如, 集水功能、微流体装置、 抗结冰等. 研究发现, 这些超疏水性生物表面的微纳米结构对其超 疏水性起着至关重要的作用。 超疏水材料一般可以通过两种方法来制备: 一种是在粗 糙表面修饰低表面能物质;另一种是在疏水材料(一般其 接触角大于90°)表面构筑粗糙结构. 目前, 已经报道了许多比较成熟的制备技术, 如电化学 沉积法、等离子体和激光刻蚀法、交替沉积法、电纺丝 法、模板法、溶胶-凝胶法等.
荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um， 单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组 成，乳突虎脚掌
水黾腿
蝴蝶翅膀
蚊子复眼
沙漠甲壳虫背部
2.2超疏油仿生界面材料
荷叶上表面的微纳复合结构与表面植 物蜡的协同作用赋予了荷叶“出淤泥而不 染”的超疏水自清洁特性，这一点已经广 为人知。但是荷叶下表面的性质却被人忽 视。 Cheng等对荷叶的上表面和下表面的浸润 性进行了深入的研究。如左图（a）所示， 水滴在荷叶的上表面呈圆形;在水中，油 滴(染色的正己烷)也以球形停留在在荷叶 的下表面，表明荷叶的上下表面分别具有 超疏水和超疏油的特性。通过环境扫描电 镜(ESEM)和原子力显微镜(AFM)对荷叶下 表面进行形貌表征，发现下表面由无数个 扁形乳突组成，每个乳突的长度为30～ 50μ m，宽为10～30μ m，高为4μ m，且上 面覆盖着长度为200～500nm的纳米突起。 另外，荷叶的下表面覆盖着一层亲水的类 水凝胶化合物，正是荷叶下表面的这种特 殊微纳结构和化学组成造就了天然的稳定 水下超疏油表面。这一发现也从侧面反映 了荷叶下表面是抗生物粘附的性质。
第8章 仿生复合材料PPT课件
You Know, The More Powerful You Will Be
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
13
仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 长度为30～ 130m 的刚毛, 每只脚上就有近50万根刚毛, 并且 每根刚毛又有400～ 1000 根直径为0.2～0.5 m 的 细分叉, 因此壁虎与附着物体有极大数目的接触点, 总的范德华力相当大, 足以支持壁虎的全身重量。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
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仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 长度为30～ 130m 的刚毛, 每只脚上就有近50万根刚毛, 并且 每根刚毛又有400～ 1000 根直径为0.2～0.5 m 的 细分叉, 因此壁虎与附着物体有极大数目的接触点, 总的范德华力相当大, 足以支持壁虎的全身重量。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
仿生复合材料PPT课件
如哑铃状的碳化硅晶须，延展性明显提高。 分形结构的碳纤维增强环氧树脂，强度和韧性比普
通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态
.
8.2.2.2. 分子尺度的化学仿生
✓复合相界面的化学仿生和复合材料单体结 构化学仿生。
✓a界面化学键仿生 ✓b单体化学分子结构仿生
.
8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
.
8.2.3.1仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效 应
仿生SiC的制备:SiO+3CO----SiC+2CO2 仿生SiC由直杆状晶须和珠状小球SiOx组成
仿生SiC晶须增强PVC:PVC片的强度有所降低，但塑性明显 提高
.
8.2.3.2用气相生长法制备树根状仿生碳纤 维
以苯为碳源，铁为催化剂，氢为载气。将硝酸铁 喷洒在陶瓷基板上干燥，将基板加热使硝酸铁分 解为Fe2O3,氢气1.粉体合成 2.块体材料
.
8.3仿生复合材料的应用
• 人造骨骼 • 叠层状陶瓷、纤维增强铝合金胶结层板、
钢板叠层复合材料 • 薄层陶瓷材料 • 水泥 • ……
.
.
.
谢谢欣赏！
.
个人观点供参考，欢迎讨论！
生物系统制造的非有机复合材料通过自身体液的矿化作 用生成。 人造复合材料是通过组成相的混合物在高温下进行热处 理。 磷灰石-金属基复合材料的制备仿生工艺： a.在生物环境下，提供能诱导磷灰石形成的表层 b.模拟配置生物体液 c.将商用Ti及其合金置于60℃，用一定浓度的氢氧化钠 溶液进行24小时表面活化处理，在600 ℃高温下进行1h 热处理，浸入生物体液。 d.X射线与红外光谱测定表明，其无序的钛酸钠表面覆 盖有状如薄片、含碳酸盐的类似骨骼的磷灰石晶体。
通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态
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8.2.2.2. 分子尺度的化学仿生
✓复合相界面的化学仿生和复合材料单体结 构化学仿生。
✓a界面化学键仿生 ✓b单体化学分子结构仿生
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8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
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8.2.3.1仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效 应
仿生SiC的制备:SiO+3CO----SiC+2CO2 仿生SiC由直杆状晶须和珠状小球SiOx组成
仿生SiC晶须增强PVC:PVC片的强度有所降低，但塑性明显 提高
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8.2.3.2用气相生长法制备树根状仿生碳纤 维
以苯为碳源，铁为催化剂，氢为载气。将硝酸铁 喷洒在陶瓷基板上干燥，将基板加热使硝酸铁分 解为Fe2O3,氢气1.粉体合成 2.块体材料
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8.3仿生复合材料的应用
• 人造骨骼 • 叠层状陶瓷、纤维增强铝合金胶结层板、
钢板叠层复合材料 • 薄层陶瓷材料 • 水泥 • ……
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谢谢欣赏！
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个人观点供参考，欢迎讨论！
生物系统制造的非有机复合材料通过自身体液的矿化作 用生成。 人造复合材料是通过组成相的混合物在高温下进行热处 理。 磷灰石-金属基复合材料的制备仿生工艺： a.在生物环境下，提供能诱导磷灰石形成的表层 b.模拟配置生物体液 c.将商用Ti及其合金置于60℃，用一定浓度的氢氧化钠 溶液进行24小时表面活化处理，在600 ℃高温下进行1h 热处理，浸入生物体液。 d.X射线与红外光谱测定表明，其无序的钛酸钠表面覆 盖有状如薄片、含碳酸盐的类似骨骼的磷灰石晶体。
环境材料学 第12章 仿生物材料
生物矿物形成主要途径
一．
二．
三．
生物矿化出现在特定的亚单元隔室 或微环境中，其晶体只能在特定的 功能结点上成核、长大。 特定的生物矿物具有确定的晶粒尺 度和晶体学取向。 宏观的生长伴随着大量生长单元的 组装堆置，形成一种特殊的复合材 料，并且提供进一步组织生长和修 复所需条件。
启示
1.
生物矿化形成机制为人类提供了一个 材料制备的典范。
生物陶瓷复合材料 为避免羟基磷灰石吸收和降解导致 的断裂韧性和抗疲劳性能下降，开 发生物陶瓷复合材料 通常有两种制备技术
生物陶瓷复合材料的两种制备技术 1. 基体+表面涂层复合法 在各种基体材料表面上制备磷酸钙生物陶 瓷涂层，把载体材料的强度优势和磷酸钙 盐的生物活性结合起来，制备既有高强的 力学性能，又有满意的表面活性 基体材料有钛合金、高合金不锈钢、高性 能陶瓷、高分子材料 表面涂层的制备方法有浸渍、电泳、热等 静压、电化学结晶、等离子体溅射、等离 子体喷涂、脉冲激光沉积等
生物相容性
环境协调性
材料反应性
宿主反应性
生态设计
环境友好加工
评价材料生物相容性的有关指标 适应性反应 宿 全身反映 主 反 局部反应 应 血液反映 材 料 反 应
腐蚀 吸收 降解 磨损 膨胀 浸析
12.2 天然生物材料的组成
天然生物材料的组成可分为四 大类：结构蛋白质、结构多糖及生 物软组织、生物复合纤维以及生物 矿物等。
一些生物软组织的韧性数据
材料 丁基橡胶 海葵中胶层 猪主动脉 平均撕裂能 /Kj/m² 1.0 1.2 0.98 刚度/Pa 10⁶ 10⁵ 5x10⁵
兔皮肤
昆虫角质层 蛹表皮
20.0
1.4 1.8
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主要参考资料：
1. 2. 3. 4. 5.
6.
《Nature》近期杂志。 《Science》近期杂志。 《Biomacromolecules》近期杂志。 《Advanced Materials》近期杂志。 《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志。 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）。
20 世纪40 年代前
潜水艇的沉浮系统的开发
（装载石块→交替充排水浮箱→压载水舱）
鱼充气的鱼鳔
（分泌或吸收氧气）
雷达、战艇侦察手段的开发 统
（噪声测向仪→声纳系统）
田径比赛
起跑姿势：下蹲式（仿袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来再跳 游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）
比直立式更快）
第二节 人类仿生的发展历史
鲁班 观察丝矛草叶子
仿其边缘的细齿结构
发明锯子
观察鱼在水中的游泳 仿鱼类的形体 发明木船 仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵 鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之，三日不下” 达· 芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机 （飞机的雏型）
高分子材料成型原理、材料学及生物学的基本知识。
课程学习目的与要求：
本课程将在介绍自然界中生物的结构、功能或行为过 程等的基础上，进一步介绍近年来国内外研究人员受 生物启发（Bio-inspired）或模仿生物（Biomimetic） 的各种特性而开发的仿生材料及其研究进展，使学生 初步了解仿生材料领域国内外的最新研究动态及各种 仿生材料的加工技术。
仿生材料（Biomimetic Materials）
东华大学材料学院 邵惠丽
松江校区第五学院楼C566
Hale Waihona Puke 材料开发的新思路天然可再生资源的利用, 源源不绝、环境友好、低碳发展的概念
多从自然界动植物中寻求灵感
从事绿色材料、仿生材料的研究
仿生材料（Biomimetic Materials）
预备知识：
大象的奇妙行为-怪异的步伐
大象的奇妙行为
大象属于恒温动物 大象能承受的体温变化较大 大象居于炎热地带 其散热方式和身体结构有关。
大象的奇妙行为
大象的沟通方式很复杂。 同步前进相隔很远的象群是怎样进行 遥感沟通的?
蚂蚁的奇妙行为
分工合作、发挥集体智慧的行为 能拖动比自身体重大几十倍的食物 喝雨水再排尿的防穴内进水绝招 ……
等级制度
麝牛意识到危险来临， 立刻围成圆阵
军事仿生学
狼群战术（集群攻击） 蛙跳（蛤蟆）战术 (向若干个重要目标做跳跃进攻） 蚕食战术（像饿蚕进食那样小口快吃，步步为营） 敲山震虎战术（以打促降攻心制敌） 麻雀战术（四面八方以游击战消耗、迷惑、杀伤敌人） 蚁海战术（聚集力量） 小鱼吃大鱼战术（仿硬颚鱼对付鲨鱼的“钻肚子”或“掏心”战
仿生学的分类
社会仿生学（模仿生物的群体意识等） 化学仿生学（在分子水平或分子层次上进行仿生） 机械仿生学 建筑仿生学 电子仿生学 计算仿生学（神经网络、遗传等算法） 军事仿生学 运动仿生学（仿飞禽走兽的动作健身） 美容仿生学
社会仿生学
生物社会中的三个特征 地域观念
有各自的活动范围
群体意识
团结协作的群体活动
第一章 绪 论
第一节 仿生学
蜘蛛丝的强韧性； 蜻蜓出色的飞行本领； 苍蝇的多种特殊功能； 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀； 夜间活动型蛾（Night Moth）的眼 蜂巢奇妙的构造； 蟑螂灵敏的感知能力； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
和拨水性 (water repellent )； 生物的骨骼构造比钢铁强硬； „„„
大象的奇妙行为
大象是陆地上最大的动物，现存的大象仅有 非洲象和亚洲象。 非洲象体型较大，最大的雄象约7吨重，雌 雄象都长有发达的象牙； 亚洲象略小，最大的体重约5吨，只有雄象 才长有发达的象牙。 大象是如何支撑其身体的重量的?
仿生学
研究并模仿生物系统的结构、形状、功能、原理、 行为过程及相互作用等从而为工程技术提供新的 设计思想、工作原理和系统构成的科学
是生物学和技术学相结合的交叉学科 涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域
仿生技术
通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生 物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的 新型仪器、机械等。
术）
运动仿生学
太极拳运动 ：
伸舒筋骨）
白鹤亮翅（仿善飞的白鹤展翅欲飞动作 抱虎归山、倒撵猴
气功“五禽戏动功” ：
猛虎扑食、鹿糜奔跃、熊步蹒跚、鹏鸟展翅、猿猴攀登
少林拳
仿虎 ：白虎洗脸、猛虎转身、老虎靠山、老虎弹爪、大虎抱头、老虎摆尾、虎 下山、黑虎破胆、猛虎跳涧、猛虎穿林、猛虎观鹿、老虎张口、老虎坐桩、饿 虎登山、黑虎望山、黑虎钻木、黑虎抓心…….. 仿豹：豹子出洞、豹子扣爪、豹子缩身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回头 仿马 ：野马上槽、野马奔川、野马弹蹄、野马分鬃 仿猴 、仿猿 、仿鹤 、仿鹰 、仿燕 、仿雁 ……..
蜘蛛丝的强韧性； 蜻蜓出色的飞行本领； 苍蝇的多种特殊功能； 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀； 夜间活动型蛾（Night Moth）的眼 蜂巢奇妙的构造； 蟑螂灵敏的感知能力； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
和拨水性 (water repellent )； 生物的骨骼构造比钢铁强硬； „„„
人类进化：500万年 生命进化：约35亿年→
形成了最优化的形态结构、 最有效的物质代谢和再循环系统、 最精确的控制和协调过程。
生物的各种奇妙功能 给人类启发 ---仿生思维
模仿生物本领
造出仿生材料
新兴学科——仿生学（仿生材料）