结构仿生材料的应用与发展前景

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对早期资本主义社会的矛盾揭露
海豚是大海中的游泳健将 ,一方面是由于它的流线型体形, 另一方面是由于它特殊的皮肤构造 。 海豚的皮层结构由表皮、真 皮和由胶质纤维与弹性纤维 交错的结缔组织组成,但与 众不同的是,海豚的真皮层 上面有很多乳突,乳突之间 充满粘滞液体。这种皮层结 构在受到海水紊流的压力变 化时,流体随着压力的改变 流出或流入乳突,在此过程 中,紊流的部分能量就被吸 收,在很大程度上消除了水 流由片流变成湍流时产生的 振动,有效降低了游动能量 消耗。
这种人造海豚皮厚约3mm,由3 这种人造海豚皮厚约3mm,由3层橡胶薄膜组成:外层为 光滑柔软的“表皮层”,中间为附有密集排列橡胶小立柱 的弹性“真皮层”和与甲板接触的支持层。 鲨鱼皮肤布满微小的肋条状鳞片结构,这种带肋条的表面 能有效地降低鲨鱼肌体在水流冲击中的振动,从而大幅降 低游动阻力,打破了表面越光滑阻力越小的传统观念。 Speedo公司据此研究设计了仿生游泳衣这种仿生游泳衣仿 Speedo公司据此研究设计了仿生游泳衣这种仿生游泳衣仿 造了鲨鱼的皮肤结构。在它的表面有一系列的凹槽,与鲨 鱼皮上微细结构类似。这些凹槽可以在游泳者周围产生微 小的旋涡,能有效地引导水流,降低皮肤和肌肉的振动, 从而减小阻力。
2. 水流仿生减阻材料
水的阻力是影响舰船航速的主要因素,减小阻力就能有效提高 航速。水生物在漫长的生息繁衍岁月中进化出了效率很高的游 动机构及表面微结构,其表面摩擦阻力和压差阻力也都相当低。 因此,通过结构仿生学的研究,可设计出减阻效果更好的材料 微表面结构,且不会带来附加设备或额外能量消耗及空间占用, 在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法之一
二 仿生增韧陶瓷材料Байду номын сангаас
陶瓷材料的脆性和如何增韧是其应用的关键问题之一,也一直 是研究的热点。人们提出过长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散 强化、相变增韧等多项强韧化措施,也取得了积极的成果,但 仍没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题 。 自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近95%是普通陶瓷CaCO 自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近95%是普通陶瓷CaCO3, 但其综合力学性能优异,特别是断裂韧性,比单相CaCO 但其综合力学性能优异,特别是断裂韧性,比单相CaCO3陶瓷 高2~3个数量级。这说明贝壳珍珠层所具有的优异力学性能与 其独特的生物结构有密切关系。 贝壳珍珠层是由文石、晶片形成增强相的层状复合材料,占总 质量1%~5 质量1%~5%的有机质填充于无机相之间。层与层间的有机质 具有三明治式夹心结钩,外夹憎水的丝心蛋白质和亲水的酸性 蛋白质 。
四 仿生减阻材料
1. 泥土仿生减阻材料
在生产过程中,常常遇到土壤粘附在不同机械及触土部件 上,如犁、铁锹、铲等,粘附的土壤不但影响它们的运动 及工作质量,也增加了能耗。 蜣螂生活在粘湿环境中的土壤动物能够不粘附土壤而行动 自如 ,其原因一方面是由于其体表为憎水材料,另一方面 是其非光滑几何表面形态能存储空气,使体表与土壤表面 间存在一些间隙,有效地减轻大气对土壤的空气负压作用, 从而减弱了土壤对动物体表的摩擦磨损和黏附效应,这在 流体润滑理论中可以看作是气膜润滑方式。
参照蜣螂外壳的材料特性和非光滑表面形貌特性 , Qaisrani设计 Qaisrani设计 了仿生推土板并进行了减粘降阻试验,试验结果表明,仿生非 光滑犁壁具有较好的脱土性,可减小犁耕阻力15%~18%,节 光滑犁壁具有较好的脱土性,可减小犁耕阻力15%~18%,节 省油耗5%~12%。李建桥也在犁壁表面上随机布置凸包制成了 省油耗5%~12%。李建桥也在犁壁表面上随机布置凸包制成了 仿生非光滑犁壁,与普通犁壁相比降阻6%~12%。 仿生非光滑犁壁,与普通犁壁相比降阻6%~12%。
对早期资本主义社会的矛盾揭露
美国海军研究部门根据 海豚皮肤的结构特点, 找到一种接近海豚皮肤 的人造材料,模仿海豚 真皮层功能,仿制的 “人工海豚皮”用于潜 艇表面,还模仿鲇鱼表 面分泌的粘液,制成高 分子化合物,用来涂在 舰艇、船壳上,可减少 阻力50%,使潜艇的航速 阻力50%,使潜艇的航速 成倍提高。
对早期资本主义社会的矛盾揭露
文石晶体与有机基质交 替叠层的排列方式是抗 脆断的关键所在,由于 有机基质层强度相对较 弱,易于诱导裂纹在其 中偏转,从而阻止了裂 纹的穿透扩展。因此, 可以把珍珠层的结构抽 象为软硬相交替的多层 增韧结构,正是这种结 构组合赋予了贝壳珍珠 层极佳的断裂韧性。
以Si3N4/BN 陶瓷为例
基体片层的成型、界面层的涂覆、片层的排布、烧结
通过在Si 陶瓷中引入BN作为弱界面层,使得裂纹在弱界面 通过在Si3N4陶瓷中引入BN作为弱界面层,使得裂纹在弱界面 层中反复偏折,消耗大量的断裂能,获得了高韧性和断裂功的 Si3N4/BN层状陶瓷材料. BN层状陶瓷材料.
三 仿生粘附材料
在上百万年的生物进化过程中,一些动物(如壁虎、苍蝇、蜜 在上百万年的生物进化过程中,一些动物( 蜂、蝗虫等) 蜂、蝗虫等)的足掌获得了最佳的几何设计和生物材料特性, 保证它们能够在各种环境、不同材料、质构、粗糙度的表面上 运动和停留。其中壁虎脚上功夫尤为神奇,能够攀墙自如、倒 挂悬梁,甚至在真空环境都能行走自如,并且路经之处不留任 何痕迹。
六 展望
通过不断从生物界获得灵感,结构仿生材料越来越向着微观 化、智能化发展,由功能材料构筑各种仿生微器件,并用之 组装不同结构和功能的仿生微系统是今后研究的重点,并将 在军事、工业、建筑业等领域获得广泛应用。仿生学是诸多 学科的交叉,尤其需要生物科学、材料科学、医学、化学和 工程力学等诸多学科技术专家的共同关注与参与。只有加强 多学科协作,才能支持结构仿生材料的深入研究,从而推动 技术创新。
壁虎能在光滑墙壁上行走自如,甚至能贴在天花板上的原 因。他们发现壁虎的粘附力取决于物理特性而不是表面化 学特性,即取决于壁虎脚底的刚毛尺寸、形状和刚毛的密 度,这种特殊的粘着力是由壁虎脚底约200万根直径约5µm 度,这种特殊的粘着力是由壁虎脚底约200万根直径约5µm 的细小刚毛与物体表面分子之间产生的范德瓦尔斯力累积 而成的。 要制造出“蜘蛛侠手套” 还要一段很长的日子, 尤其是要像壁虎那样, 在污秽、湿润或粗糙的 东西上行走,还需要突 破众多技术难题。模仿 壁虎脚掌的物料未来可 制成“步兵攀爬服”, 士兵穿上它就可像壁虎 般飞檐走壁。
显微镜下的鲨鱼皮肤。
鲨鱼皮泳衣的结构,V字型可以减少游泳时水流带来的阻力。
五 仿生减振材料
为减小冲击与振动,生活于复杂地形的动物行走肌体具有良 好的缓冲振动的能力。 Royal Veterinary大学的Wilson研究了马腿的肌腱减振结构, Veterinary大学的Wilson研究了马腿的肌腱减振结构, 对马下肢的结构、缓冲机理以及作用效果进行了分析,并提 出了一种概念全新的、可应用于工程的仿生缓冲结构材料。 此外,啄木鸟头部具有优秀的减振性能,其独特生物构造也 受到科研人员的关注,为高效的整体减振结构材料设计提供 了新思路。
结构仿生材料的应用与发展前景
一 仿生学与结构仿生材料
仿生学就是以自然界生物体的优异结构和特性为 研究对象,将 生物的结构性质、能量转换和信息过程应用于技术革新。近年 来,随着相关学科的发展及现代技术尤其是微观和宏观技术的 进步,仿生学得到了飞速的发展,特别是发达国家更是投人大 量的资金和人力抢先开展多方面的研究和产品开发。在国内, 仿生技术也受到了学术界和工业界越来越多的重视,国家自然 科学基金几乎每年都有相关的资助项目。 结构仿生材料研究是仿生学的一个重要分支,是研究生物材料 的结构特点、构效关系,进而对材料、结构、系统进行仿生模 拟,提高工程结构效率,属于化学、材料学、生物学、工程力 学等学科的交叉学科。
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