10-复合材料9-仿生
仿生复合 材料
20世纪80年代，生物自然复合材料及其仿生的研究在国 际上引起极大重视，并取得一系列的研究成果。尤其以下为 代表：
8.2 复合材料的仿生 设计和制备
分类
结构仿生
功能仿生
通过研究生物肌体的构造，建造类 似生物体或其中一部分的机械装置， 通过结构相似实现功能相近。
材料仿生 力学仿生
是使人造的机械能够部分地实现诸如思维、感知、 运动和操作等高级动物功能的仿生技术。功能仿 生必须以结构仿生为基础，在智能机器人的研究 中具有重大意义。
• 结构优点：层间夹角避免物 理几何的突变，改善相邻层 间结合；增加外层厚度，降 低少量正向刚度，切向刚度 大幅度提高。
• 实验证实：将玻纤采用不同 夹角进行分层非对称缠绕， 并以环氧树脂黏结制样，进 行压缩实验，强度降低38%， 压缩变形增加200%以上。
8.2.1.4 仿生愈合与自愈合抗氧化
• 生物体损伤自愈合
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。
8.2.1.5 仿生叠层复合材料研究
• 天然复合材料很好的强度和韧性与其特殊的微 观结构关系密切。
• 叠层结构是许多材料高断裂韧性的根源。 • 叠层结构在断裂过程中的变化：
a 对裂纹的断裂起到偏转作用 b裂纹的频繁偏转延长了裂纹的扩展路径 c导致裂纹从应力状态有利方向转为不利方向 d有机质发生塑性变形，降低裂纹尖端的应力 强 度因子，增大了裂纹的扩展阻力。
仿生材料——精选推荐
仿⽣材料源于⾃然的⼒量——仿⽣材料⼀、神奇的⼤⾃然——仿⽣学⾃然界的创造⼒总是令⼈惊奇，天然⽣物材料经历⼏⼗亿年进化，⼤都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构，并具有⾃适应性和⾃愈合能⼒，如⽵、⽊、⾻骼和贝壳等。
其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从⽽具有许多独有的特点和最佳的综合性能。
例如，荷叶的表⾯有许多微⼩的乳突，让⽔不能在上⾯停留，滴形成后会从荷叶上滚落，同时将灰尘带⾛；海洋⽣物乌贼和斑马鱼体内的⾊素细胞决定了它们天⽣有⼀种改变⾃⾝颜⾊的能⼒；⽔稻表⾯突起沿平⾏于叶边缘的⽅向排列有序，使得排⽔⼗分便利；昆⾍复眼的减反射功能，使得⿊夜观看成为可能；⽔黾腿部有数千根按同⼀⽅向排列的多层微⽶尺⼨的刚⽑使其在⽔⾯⾏⾛⾃如；壁虎由壁虎脚底⼤量的细⽑与物体表⾯分⼦间产⽣的“范德华⼒”累积使其有了特殊的粘附⼒……道法⾃然，向⾃然界学习，采⽤仿⽣学原理，设计、合成并制备新型仿⽣材料，是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、⽣物、纳⽶技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿⽅向之⼀。
仿⽣学是模仿⽣物的科学，早在1960年9⽉13⽇美国召开第⼀次仿⽣学会上由Steele等提出。
仿⽣学研究⽣物系统的结构、性质、原理、⾏为及相互作⽤，为⼯程技术提供新的设计思想、⼯作原理和系统构成；仿⽣材料指依据仿⽣学原理、模仿⽣物各种特点或特性⽽制备的材料；材料仿⽣设计包括材料结构仿⽣、功能仿⽣和系统仿⽣ 3个⽅⾯。
⼆、了解仿⽣材料仿⽣材料的定义仿⽣材料是指模仿⽣物的各种特点或特性⽽研制开发的材料。
通常把仿照⽣命系统的运⾏模式和⽣物材料的结构规律⽽设计制造的⼈⼯材料称为仿⽣材料。
仿⽣学在材料科学中的分⽀称为仿⽣材料学(biomimetic materials science),它是指从分⼦⽔平上研究⽣物材料的结构特点、构效关系,进⽽研发出类似或优于原⽣物材料的⼀门新兴学科,是化学、材料学、⽣物学、物理学等学科的交叉。
仿生复合材料
仿生复合材料
仿生复合材料是一种结合了生物学和材料科学的新型材料，它的设计灵感来源
于生物界的各种生物体结构和功能。
通过模仿生物体的结构和功能，仿生复合材料能够实现一些传统材料所无法达到的性能，具有广阔的应用前景和发展潜力。
首先，仿生复合材料的设计理念是模仿生物体的结构和功能。
生物体经过亿万
年的进化，形成了许多优秀的结构和功能，这些结构和功能在某种程度上超越了人工材料的性能。
因此，通过仿生的方式，将生物体的结构和功能引入到材料设计中，可以大大提高材料的性能和功能。
其次，仿生复合材料的制备过程需要充分考虑材料的结构和功能。
在制备仿生
复合材料时，需要选择合适的材料组分，并将其组织成类似生物体结构的形态。
例如，可以通过纳米技术将纳米颗粒组装成类似骨骼结构的复合材料，或者利用仿生学原理设计出具有自修复功能的材料。
最后，仿生复合材料具有广泛的应用前景和发展潜力。
由于仿生复合材料具有
优异的性能和功能，它在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域都有着重要的应用。
例如，利用仿生复合材料可以制备出轻质高强的飞机结构材料，提高飞机的燃油效率和载荷能力；还可以制备出具有生物相容性的医疗材料，用于人体植入和修复。
总之，仿生复合材料是一种具有巨大发展潜力的新型材料，它的设计理念、制
备过程和应用前景都具有重要意义。
随着科学技术的不断进步，相信仿生复合材料将会在未来发展中发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
仿生复合材料
生物材料的特性
复合
功能适应性
生物材料
创伤愈合
仿生复合材料
• 原理-向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物 结构、特点和功能的新学科。仿生是方法
• 结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结 构，优化的结构等）
• 功能（催化，传输过程，分子识别等） • 从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系，
向刚度，切向刚度大幅
度提高。
仿生复合材料
三、仿生螺旋的增韧作用
• 实验证实：将玻纤 采用不同夹角进行 分层非对称缠绕， 并以环氧树脂黏结 制样，进行压缩实 验，强度降低38%， 压缩变形增加200% 以上。
仿生复合材料
• 四、仿生愈合与自愈合抗氧化
仿生复合材料
四、仿生愈合与自愈合抗氧化
• 生物体损伤自愈合 • 材料的仿生自愈合
仿生复合材料
生物材料的特征
• 最小能量判据 - 化学反应发生在低（室）温 - 氢键, 亲水/疏水相互作用 - 分级结构（分子组装）
• 优化的性能（功能） - 手性 - 液晶（取向） - 对刺激的响应性
• 生物循环圈 - 起始材料（C, H, O, Si）简单 - 可修复，可再生
仿生复合材料
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生物材料的结构特征
仿生复合材料
仿生复合材料
• 竹材表层的高强和高韧 主要是由于竹纤维优越 性能所致。
• 结构特点：空心柱、纤 维螺旋分布、多层结构
• 结构优点：层间夹角避 免物理几何的突变，改 善相邻层间结合；增加 外层厚度，降低少量正 向刚度，切向刚度大幅 度提高。
仿生复合材料
仿生复合材料
仿生复合材料
悉尼奥运会游泳比赛中，澳大利亚选手伊恩·索普穿黑色连体紧身泳 装，宛如碧波中前进的鲨鱼，劈波斩浪，一举夺得3枚金牌，而他 身穿的鲨鱼皮泳衣也从此名震泳界。
仿生复合材料
仿生材料研究进展(讲义)Research Progress of biomimetic materials 仿生学（Bionics）诞生于二十世纪60年代，是Bi(o)+(electr)onics的组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的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的论文[1]，分析了部分生物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索[2-6]。
美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics)，Biomimetics意为模仿生物，着重力学结构和性质方面的仿生研究。
但人们往往狭义地理解“mimetic”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。
近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。
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的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料(Biomimetic Materials)。
这是材料科学与生命科学相结合的产物，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）和仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行的材料仿生设计、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的进化，具有独特的结构和优异的性能。
通过天然生物材料的研究，人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料和新型工程材料。
天然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸〈己知有20种〉组成的长链，改变氨基酸的种类及排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。
蛋白质的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的顺序和种类，以合成所需要的蛋白质，利用DNA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。
仿生材料
仿生材料材料是人类赖以生存和发展的重要基础, 是直接推动社会发展的动力, 材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。
材料按其应用一般可以分为两大类: 结构材料和功能材料。
结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。
功能材料则主要利用其光、电、磁、声、热等特殊的物理、化学、生物学性能。
材料科学水平已经成为衡量一个国家科学技术、国民经济水平及综合国力的重要标志, 许多国家都把新材料的研究放在了优先发展的地位。
自然界中的动物和植物经过45亿年优胜劣汰、适者生存的进化, 使它们能适应环境的变化, 从而得到生存和发展, 其结构与功能已达到近乎完美的程度。
自古以来, 自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
道法自然, 向生物学习, 向自然界学习, 利用新颖的受生物启发而来的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成有机、无机、有机-无机杂化结构材料和功能材料是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域, 而且已成为化学、材料、生命、力学、物理等学科交叉研究的前沿热点之一。
虽然仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前,但通常认为, 1960 年美国召开的第一届仿生学讨论会是仿生学诞生的标志。
仿生学一词是1960 年由美国斯梯尔(Jack Ellwood Steele)根据拉丁文“bion”(生命方式的意思)和字尾“ic”(“具有……的性质”的意思)构成的。
1963 年我国将“Bionics”译为“仿生学”, 它是研究生物系统的结构、性质、原理、行为以及相互作用, 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技术科学. 简言之, 仿生学就是模仿生物的科学。
仿生学是生物学、数学和工程技术学等学科相互渗透而结合成的一门新兴科学。
随着化学、材料学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展, 仿生学向微纳结构和微纳系统方向发展已成为仿生学前沿研究的一个重要分支。
仿生合成(biomimetic synthesis)一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成, 即受自然界生物特殊结构和功能的启示, 模仿或利用生物体结构、功能和生化过程并应用到材料设计,以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料,或利用天然生物合成的方法获得所需材料。
生物材料的仿生设计及应用
生物材料的仿生设计及应用随着科技的进步和发展，人们对生物材料的仿生设计和应用越来越关注。
生物材料的仿生设计是以生物体的形态、构造、性能等为蓝本，模仿其基本原理和机理，开发新的材料和应用。
生物材料的仿生设计不仅具有重要的科学研究意义，而且具有广泛的应用前景。
下面将从生物材料的仿生设计、仿生材料的种类和应用等方面进行介绍。
一、生物体的形态、构造及性能生物体是自然界中最为复杂、多样的存在之一。
它们具有多种形态、构造和性能，其中很多特性都为人们所惊叹。
例如蜜蜂的复杂巢穴结构、海绵的多孔结构、鲨鱼皮肤的抗磨损结构和独特的斜纹肌肉构成等。
这些结构和特性在自然界中都具有一定的生存优势，从而成为了人们仿生材料设计的灵感源泉。
二、仿生材料的种类1、仿生纳米材料纳米科技是当今科学技术发展的一个重要方向。
随着纳米科技的进步，人们对仿生纳米材料的研究和应用也越来越深入。
仿生纳米材料主要模仿自然界中一些微小结构。
例如蝴蝶翅膀表面的纳米结构、鱼鳞表面的微结构等，用于制造防水、防腐、抗菌等功能的材料。
2、仿生智能材料仿生智能材料是一种以模仿生物体的智能为基础，实现自主感知、智能响应和自动控制的新型材料。
其中，形状记忆材料、纳米智能材料和生物分子传感材料等最为典型。
人们借鉴蝴蝶天敌定位方法、章鱼染色体的自然伪装等特点，利用这些灵感设计出高性能的智能材料。
3、仿生复合材料仿生复合材料是利用不同种类的材料，根据仿生原理设计和构造的一种新型材料。
一般来说，仿生复合材料是由两个或多个不同性质的材料组成的。
例如松鼠的灵活性，高强度的蜘蛛丝，仿生复合材料可以运用到航空、轻工、建筑等很多领域。
三、仿生材料的应用1、生物医学领域仿生材料在生物医学领域中具有广泛的应用，例如仿生表面和人造器官。
仿生表面材料可以用于生物医学材料、诊断和治疗。
现有的仿生表面材料中，一些具有抗菌特性或生物相容性。
仿生人造器官的材料，应用寿命长，不易被人体排斥，同时也不影响器官的正常功能。
复合材料-第八章仿生复合材料
仿树根气相生长C纤维
仿草根气相生长C纤维
3、分形树状氧化锌晶须的制备
可将锌粉在水中研磨，然后沉淀、烘干，经灼烧制成样品。
4、碳纤维螺旋束的增韧效应
平直纤维分布较为均匀，螺旋纤 维则呈束状分布。 平直纤维的体积分数较难控制， 一般在0.35－0.65之间变动，而螺 旋纤维由于直径较粗，体积分数较 易控制，可在0.1－0.3之间变动， 这有利于以最少的纤维用量来满足 不同的使用要求。 甚至可在同一试样不同区域内得 到不同的纤维含量，这可进一步模 仿竹中增强体的力学优化分布。
因此，材料科学工作者试图揭示天然生物材料
的结构特征和形成机制，从而应用于现代材料 的设计与制备。
1.当前复合材料研究中的一些疑难问题：
连续纤维的脆性和界面设计的困难 短纤维易由基体拔出而导致增强失效 晶须的长经比不易选择 陶瓷基复合材料增韧困难 复合材料损伤和裂纹的恢复和愈合
2、仿生分析－－生物材料的优良特性
陶瓷/碳复合材料中碳材料的自愈合抗氧化
碳化硅、碳化硼等，使其表面生成了一层致密的保护 膜，实现自愈合抗氧化。
5、仿生叠层复合材料的研究
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。
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，由小平板状的结构单 元累积而成、成层排列，组成成分是多角片型的文石结晶体 （CaCO3 ）。
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。
生物材料学-第9章 仿生材料
➢西瓜纤维素的结构与仿生
植物为我们提供了很多有趣的现象，例如我们常 见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发 下，人们研制了一种西瓜纤维素构造相似的超吸 水性树脂，它是用特殊设计的高分子材料制造的， 能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水分， 现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材 料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和 输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将 来的饮料就不再用现在的杯子来装，而是只要用 一片薄膜就可。
Biomimicry (模仿生物)
2
研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及 相互作用，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技术科学.
“ 学习自然界的现象作为技术创新的模式” 的 基本概念.
1960年，在美国俄亥俄州召开第一届仿生讨论 会，收到28篇论文。美国学者J.E.斯梯尔提出 “bionics” 一词，他将其定义为：仿生学是研 究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特 征的方式，或是以类似于生物系统方式的系统 科学
乳突直径为2.89±0.32um，距离9.61±2.92um， 纳米管平均直径为30~60nm，
静态接触角约为1600，滚动角约30。
20
➢蜘蛛丝的结构与仿生
最早研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和 人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。蚕或者蜘蛛吐出的 丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和 美丽的光泽。
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
仿生复合材料
CA of water、oil drop on FPU/PMMA coated surface.
SEM of FPU/PMMA coated surface.
Adv.Mater.2004,16,302-305
Adv. Mater. 2006, 18, 767–770
Langmuir 2005, 21, 4713-4716
Superhydrophobic surface —— Water strider
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdv. Mater. 2005, 17(8), 1005-1009
0.5mm
0.5mm
0.8mm
Adv. Mater. 2005, 17(8), 1005-1009
超疏水和自洁效应
Wetting Property —— Contact Angle
Young’ s Equation
Superhydrophobic Surface
Conact angle > 150, Sliding angle <5 ¾ The chemical compositions has limitation to get hydrophobic surface with CA more than 120. ¾ The surface roughness can amplify both the hydrophility and the hydrophobicity of the surface
生物材料的特点
3 生物材料的创伤愈合性 断骨修复
生物材料vs合成材料
• 生命过程的最大特点是能够通过新陈代谢进行自 恢复、自修复和自我更新。从物理学的角度来看， 生命体或生物体材料是一个开放体系，具有耗散 结构，能够通过从外界补充能量和物质，通过自 组织而再生，因而寿命可比无补充时成千倍地延 长。 • 工程材料则主要在制备阶段形成开放体系，而在 使用阶段，当其承受载荷和在手损伤时也是一种 形式的开放。但是人们很少着眼于内部结构和性 能的回复和更新。
复合材料复习资料
1、复合材料定义复合材料(composite materials):由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能。
2、组成、定义、作用基体：构成复合材料的连续相；增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。
界面相：不同组元相接触的界面，具有一定厚度，结构随组元相而异。
是组元相之间相互连接的纽带。
组成：基体相，界面相，增强相作用：增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。
其主要作用是承受载荷或显示功能。
基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。
主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。
界面相作用：应力和其他信息传递的桥梁，具有传递效应，阻断效应，不连续效应，散热和吸热效应，诱导效应。
3、分类，不同类型复合材料的定义及特点分类：①聚合物基复合材料: 以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基和水泥基复合材料。
定义：聚合物基复合材料（PMC）：树脂基复合材料,纤维增强塑料，是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。
这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。
特点：1. 高比强度、高比模量；2. 可设计性；3. 热膨胀系数低，尺寸稳定；4．耐腐蚀；5．耐疲劳；6.阻尼减震性好金属基复合材料（MMC）：是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。
其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。
特点：1、高比强度比模量；2、高断裂韧性和高抗疲劳性能；3、良好的高温稳定性和热冲击性；4、热膨胀系数小、尺寸稳定性好；5、导热、导电性能好；6、良好的耐磨性；7、不吸潮、不老化、气密性好陶瓷基复合材料（CMC）：氧化铝陶瓷也称为高铝陶瓷，主要成分是A12O3和SiO2。
什么是超材料？六类超材料介绍
什么是超材料？六类超材料介绍“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。
“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。
超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。
典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料” 、“金属水”。
六类超材料1、自我修复材料——仿生塑料伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。
这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。
相比其他那些只能修复微小裂痕的材料，这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝。
2、热电材料一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热点发电机，它可被直接插入普通发电机的排气管，从而把废热转换成可用的电力。
这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料，名为黝铜矿，据称可达到5-10%的能效。
科学家们已经在研究能效更高的热电材料，名为方钴矿，一种含钴的矿物。
热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——但方钴矿具备廉价和能效高的特点，可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管。
3、钙钛矿除晶体硅外，钙钛矿也可可用来制作太阳能电池的替代材料[ 。
在2009年，使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。
到了2014年，这一数字已经提升到了19.3%。
相比传统晶体硅电池超过20%的能效。
科学家认为，这种材料的性能依然有提升的可能。
钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别，它们可以包含任意数量的元素，用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。
仿生复合材料在节能房屋中的应用探索
仿生复合材料在节能房屋中的应用探索近年来，随着节能环保意识的不断提高，节能房屋逐渐成为人们关注的焦点。
而在节能房屋的建造中，仿生复合材料作为一种创新的材料，其应用愈发受到关注。
本文将重点探讨仿生复合材料在节能房屋中的应用，希望能够为相关领域的专业人士提供一些启示。
首先，我们需要明确什么是仿生复合材料。
仿生复合材料是一种模仿生物学结构和机能设计的一种材料，其结构往往能够达到特殊的功能要求。
这种材料通常由多种不同的成分组成，能够在特定环境下发挥优异的性能。
仿生复合材料的研究已经在工程领域取得了一些重要的突破，并在节能房屋的建造中发挥了重要作用。
在节能房屋中，仿生复合材料的应用可以帮助实现能源的高效利用，进而减少能源消耗。
例如，在外墙保温层的选择上，采用具有高导热系数的复合材料，能够有效隔热，减少能量的散失。
这不仅可以降低节能房屋的供热成本，还能减少对传统能源的依赖。
此外，仿生复合材料的应用还能够改善节能房屋的隔热性能，提高室内环境的舒适度。
除了在保温层方面的应用，仿生复合材料还可以在节能房屋的建材选择上发挥重要作用。
传统的建筑材料，如钢筋混凝土、砖石等，在生产过程中会产生大量的二氧化碳排放。
而仿生复合材料则可以选择生产过程更加环保、排放更少二氧化碳的材料，如生物基复合材料。
这样一来，不仅可以减少对环境的负面影响，还能够降低建筑材料的成本。
此外，在建筑设计中，仿生复合材料的应用也日益普及。
例如，类似于蜂窝结构的复合材料可以用于制作节能房屋的隔热板，其结构能够有效减少热量的传导和对流，提高隔热效果。
这种材料不仅质量轻，施工方便，而且具有良好的隔热性能，耐用度也相对较高。
同时，仿生复合材料的设计还能够帮助节能房屋降低外界噪音的干扰，提供更为宁静的居住环境。
进一步地，仿生复合材料还可以应用于节能房屋的太阳能利用。
太阳能光伏板是一种常见的太阳能利用方式，而仿生复合材料在光伏板的制造中有着广泛的应用。
通过仿生设计，可以制造出更高效的光伏电池，提高太阳能的转换效率。
仿生复合材料
仿生复合材料仿生复合材料是一种结合了生物学和材料科学的新型材料，它通过模仿生物体的结构和功能，将不同的材料组合在一起，以实现特定的性能和功能。
这种材料具有许多独特的优点，因此在各个领域都有着广泛的应用前景。
首先，仿生复合材料的设计灵感来源于生物体的结构和功能。
生物体经过数百万年的进化，其结构和功能已经经过了自然选择的优化，具有很高的效率和适应性。
因此，仿生复合材料可以借鉴生物体的优点，将不同材料的特性进行组合，以实现更加优越的性能。
例如，仿生复合材料可以模仿鸟类的骨骼结构，将轻质材料和坚固材料结合在一起，以实现轻量化和高强度的效果。
其次，仿生复合材料具有多样化的组合方式。
由于生物体的结构和功能极为多样化，因此仿生复合材料也可以通过不同的组合方式来实现各种不同的性能和功能。
例如，可以将纤维材料和树脂材料组合在一起，以实现高强度和耐磨的效果；也可以将导电材料和绝缘材料组合在一起，以实现导电和绝缘的双重功能。
再者，仿生复合材料具有广泛的应用前景。
由于其独特的优点，仿生复合材料在航空航天、汽车制造、建筑材料、医疗器械等领域都有着广泛的应用前景。
例如，在航空航天领域，仿生复合材料可以实现轻量化和高强度，从而提高飞行器的性能和燃油效率；在医疗器械领域，仿生复合材料可以实现生物相容性和耐腐蚀性，从而提高医疗器械的使用效果和安全性。
综上所述，仿生复合材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，其设计灵感来源于生物体的结构和功能，具有多样化的组合方式，以及广泛的应用前景。
相信随着科学技术的不断进步，仿生复合材料将会在各个领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
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第9章 仿生复合材料
- 探讨自然界的启示
Y. Lu
1
2007
古代
鲁班造锯：上山砍树，因带齿的丝茅草叶
划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动 的仿生例子。
现代
Y. Lu
2
2007
自然界的智慧
• 隐身衣
Y. Lu
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•
2007
3. 新干线列车(学习对象：翠鸟)
• 日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合每小时 193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪 音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)介入 了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气， 形成了一堵“风墙”。 当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨 大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水 一样“穿透”隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类——翠鸟的行为。翠鸟生 活在河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀子一样，瞬间穿 越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。 中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同 翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安 静地离开隧道。事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出15%。
自清洁表面（涂料，材料） 德国生物学家Barthlott发现
国家体育馆
Y. Lu
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荷叶表面特征-1
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莲叶表面特征-2
• 微凸球（乳突）阵列
Y. Lu
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滚动角（θA-θR）小，易滚动
Y. Lu
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蝴蝶翅膀：自清洁性
• 微凸球（乳突）阵列 • 超疏水性
Y. Lu
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生物材料的结构特征
• 分级结构（头发，木） • 纳米结构（荷叶，蝴蝶） • 膜结构
Y. Lu
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2007
仿生学和仿生材料学
• 原理-向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物 结构、特点和功能的新学科。仿生是方法 • 结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结 构，优化的结构等） • 功能（催化，传输过程，分子识别等） • 从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系， 研发类似或优于生物材料的新材料
•
Y. Lu
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2007
7. 多刃锯(学习对象：树蜂)
• 不要害怕树蜂屁股上两根像鞭子一样的大大的针状物。它们不是刺儿， 而是“钻头”。树蜂利用这些针状物(有时比整个身体还长)在树上钻洞， 然后在里面“寄存”幼仔。多年来，生物学家一直不清楚树蜂“钻头” 的用法。与需要外力的传统钻洞方法不同，树蜂可以从任何角度毫不费 力地钻洞。经过几年的研究，科学家最终发现，树蜂的两根针状物可以 深入木头，然后像拉链一样锁起来锯东西。 • 英国巴斯大学的天文学家认为，树蜂的“钻头”在太空大有用武之地。 长久以来，科学家为了在火星上寻找生命，他们必须在火星表面凿洞。 但是，在几乎没有重力的火星环境下，他们不清楚是否能找到可以在坚 硬表面凿洞的压力。受树蜂的启发，研究人员设计出一种一侧有多余刀 刃的锯子，让它们像树蜂的“钻头”一样互相推。从理论上讲，这套装 置可以用于在无任何重力的流星的表面凿洞。
Y. Lu
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2007
仿生材料学（例）
• • • • • • • • • 荷叶效应 蝴蝶颜色 叶绿素的光合作用 生物膜结构与功能（植物细胞壁，类脂） 腱，头发和木的分级结构 骨和昆虫壳（皮）的纤维复合材料结构 贝壳韧性（薄壳结构） 蛛丝强度 蜂窝结构的稳定性
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Y. Lu
2007
荷叶效应（Lotus Effect）
•
•
Y. Lu
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无叶片的风扇
Y. Lu
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2007
5. 在水面行走的机器人(学习对 象：蛇怪蜥蜴)
• 蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”(Jesus Christ lizard)，这种称呼还是 有一定道理的，因为它能在水上走。很多昆虫具有类似本领，但它们一般身轻如燕， 不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因为它 能以合适的角度摆动两条腿，令身体向上挺、向前冲。2003年，卡内基梅隆大学的机 器人技术教授梅廷·斯蒂(Metin Sitti)正从事这方面的教学工作，重点是研究自然界存在 的机械力学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力学案例时，他深受启发，决定 尝试制造一个具有相同本领的机器人。 这是一项费时费力的工作。发动机的重量不仅要足够的轻，腿部还必须一次次地与水 面保持完美接触。经过几个月的努力，斯蒂和他的学生终于造出第一个能在水面行走 的机器人。尽管如此，斯蒂的设计仍有待进一步完善。这个机械装置偶尔会翻滚，沉 入水中。在他克服了重重障碍以后，一种能在陆地和水面奔跑的机器人便可能见到光 明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质，甚至在洪水期间帮助营救灾民。
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2007
贝壳：95% CaCO3/ 5%蛋白质基体
复合材料
Y. Lu
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2007
增韧机理：有机基体纤维化的作用
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增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构 （稳定性好）
Y. Lu
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珍珠：砖墙结构和蜂窝结构
Y. Lu
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骨：复合材料
（胶原为基体，磷酸钙为分散相）
Y. Lu
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仿骨哑铃形状-拉伸-增强机理
脱粘，拔出，断裂
Y. Lu
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树根：自修复 复合材料自愈合
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十大仿生技术
1. 塑料涂层(学习对象：鲨鱼)
• 细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多高，他们仍不断 将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上，尽管不是故意的。事实上，美国每年有多 达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁 ——长达一亿多年。如今，正是由于鲨鱼这一特性，细菌感染可能会重蹈恐龙的覆辙—— 从地球上彻底消失。 与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼· 布伦南(Tony Brennan)带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一 (Tony Brennan) 2003 直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开进一步研究以后 ，他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。 黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的 细菌也就没有了栖身之所。 一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌 的涂层材料。今天，该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料涂层，目前正在医院患者接触频率 最高的一些地方进行实验，比如开关、监控器和把手。迄今为止，这种技术看上去确实可 以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标：下一步是开发一种可以消除另一个常见感染 源——尿液管——的塑料涂层。
Y. Lu
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2007
形状仿生
• 蚂蚁车
Y. Lu
4Hale Waihona Puke 2007自然法则• 能量最小原则（非共价键，室温，光合作用） • 最优化原则（优胜劣汰-隐身色） • 功能适应性原则（进化）
Y. Lu
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生物材料的特征
• 最小能量判据 - 化学反应发生在低（室）温 - 氢键, 亲水/疏水相互作用 - 分级结构（分子组装） • 优化的性能（功能） - 手性 - 液晶（取向） - 对刺激的响应性 • 生物循环圈 - 起始材料（C, H, O, Si）简单 - 可修复，可再生 6
•
•
Y. Lu
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2007
4. 风扇叶片(学习对象：驼背鲸)
• 美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克·费什(Frank Fish)教授 表示，他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到，驼背鲸的鳍状肢可以 从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起，它们在水下可以令鲸 鱼轻松在海洋中游动。但是，根据流体力学原则，这些隆起应该会是鳍的累赘，但现实中却帮 助鲸鱼游动自如。 于是，费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞，看它挑 战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得状肢更符合空气动力学原理。费什发现，它 们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成鳍不同部分，就像是刷毛穿过空气一样。费 什的发现现在叫做“结节效应”(tubercle effect)，不仅能用于各种水下航行器，还应用于风机的 叶片和机翼。 根据这项研究，费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片，令其空气动力学效率比标准设计提升 20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片，不久将开始申请使用其节能技术，用以改 善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为，在风力涡 轮机的叶片增加一些隆起，将使风力发电产业发生革命性变革，令风力的价值比以前任何时候 都重要。
•
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Y. Lu
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2007
2. 音波手杖(学习对象：蝙蝠)
• 这听上去就像一个糟糕玩笑的开头：一位大脑专家、一位生物学 家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发生在 英国利兹大学，几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手 杖(Ultracane)的问世：这是一种盲人用的手杖，在靠近物体时会振 动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样的感觉 系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波 脉冲，并等待它们返回。 当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表明附 近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不仅可 以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶的事 物，比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音 ，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾 客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正试图 利用同样的技术，开发出适销对路的产品。