仿生复合材料
10-复合材料9-仿生
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
27
•
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
贝壳结构仿生——陶瓷基复合材料
贝壳的结构仿生——层状陶瓷基复合材料摘要论述了贝壳的结构仿生材料——层状陶瓷复合材料的性能特点，从基体及夹层材料的类型选择推ヅ洹⒔峁股杓啤⒐ひ詹问 难∪⒃鋈偷幕 啤⒅票阜椒ǖ确矫娼樯芰说鼻安阕刺沾芍票腹ひ占际醯难芯拷 梗淮有阅芗敖峁沟确矫嫣教至嗽诟春喜牧戏⒄怪心壳按嬖诘奈侍狻?关键词：贝壳仿生；层状复合陶瓷；基体材料；夹层材料；增韧机制；制备方法引言众所周知，陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻等很多优点，在能源、冶金、石油化工、航天航空等领域有着广泛的应用前景。
但是，陶瓷材料本身脆性大，对缺陷十分敏感，导致使用可靠性和可重复性差，限制了其应用。
因此增加陶瓷材料的韧性提高其使用可靠性，一直是结构陶瓷材料研究的重点。
陶瓷的层状复合是大自然中贝壳等生物材料的一种结构仿生设计。
贝壳类生物材料是由95以上的脆性文石晶体和少量的壳角蛋白以强弱相间的层状形式复合而成的这种结构具有比一般文石晶体高得多的综合机械性能。
层状复合陶瓷也是在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层制成。
这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构能克服陶瓷突发性断裂的致命缺点。
当材料受到弯曲或冲击时裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。
同时这种材料的强度受缺陷影响较小是一种耐缺陷材料。
这种结构可使陶瓷的韧性得到很大改善。
1. 贝壳的结构和成分贝壳根据形成的方式和组成结构不同分为3层。
最外层为角质层，是硬蛋白质的一种，能耐酸的腐蚀；中间的棱柱壳层，它占据壳的大部分，由角柱状的方解石构成，角质层和棱柱层只能由外套膜背面边缘分泌而成；内层为珍珠层，也由角柱状方解石构成，它由外套膜的全表面分泌形成，并随着贝类的生长而增厚，富有光泽，珍珠层是最强韧的部分。
珍珠层组成相的95是文石晶体（正交结构碳素钙），其余是有机基质和少量的水，因此，它是一种天然的陶瓷基复合材料。
虽然贝壳珍珠层的组成中有近95是普通陶瓷碳酸钙，但其综合力学性能，特别是断裂韧性，比单个单相碳酸钙高2-3 个数量级，研究表明，其中的文石晶体呈多边形。
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。
仿生智能生物质复合材料制备关键技术
仿生智能生物质复合材料制备关键技术
本文着重介绍仿生智能生物质复合材料制备的关键技术。
生物质是一种可再生的天然资源，可与合成材料相结合，形成性能优越、功能多样化的复合材料。
而仿生智能则是将生物体的结构和功能应用于材料设计中的一种方法。
仿生智能生物质复合材料的制备需要掌握以下关键技术：
1.生物质的预处理技术：生物质中的纤维素和半纤维素等组分需要经过预处理才能得到高质量的生物质材料，预处理技术包括物理、化学和生物方法。
2.仿生智能材料结构设计：仿生智能材料结构设计可以从生物体的结构和形态中汲取灵感，设计出更加优化的材料结构。
3.仿生智能材料制备工艺：仿生智能材料的制备工艺包括复合工艺、成型工艺和后处理工艺等。
4.仿生智能材料性能测试：仿生智能材料的性能测试需要使用多种测试方法，例如机械性能测试、热学性能测试和电学性能测试等。
综上所述，仿生智能生物质复合材料的制备需要掌握多种关键技术，并且需要进行多方面的测试和验证。
随着技术的不断发展，这种具有广阔应用前景的材料将会在各个领域得到广泛的应用。
- 1 -。
贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展
贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展一、本文概述贝壳珍珠层，作为自然界中一种独特的复合材料，以其卓越的力学性能和生物活性引起了广大研究者的关注。
其独特的“砖-泥”结构，即硬质的碳酸钙片层与有机基质的交替堆叠，使得贝壳珍珠层在硬度和韧性之间达到了出色的平衡。
近年来，随着材料科学的快速发展，贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展日益显著，为新型高性能材料的开发提供了丰富的灵感和可能。
本文旨在对贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展进行全面的概述和深入的分析。
我们将回顾贝壳珍珠层的基本结构和性能特点，以理解其优异性能的来源。
随后，我们将重点介绍在仿生材料制备技术方面的最新进展，包括模板法、自组装、生物矿化等方法，并探讨这些技术在模拟贝壳珍珠层结构中的应用。
我们还将关注贝壳珍珠层及其仿生材料在多个领域，如生物医学、航空航天、环境保护等方面的潜在应用，并展望其未来的发展方向。
通过本文的阐述，我们希望能够为相关领域的研究者提供一个全面而深入的了解，为推动贝壳珍珠层及其仿生材料的研究和应用提供有益的参考。
二、贝壳珍珠层的结构与性质贝壳珍珠层，作为自然界中一种独特的生物矿化产物，其独特的结构和性质一直是科学家们研究的热点。
其结构主要由文石晶体和有机基质交替堆叠形成，这种有序的层状结构赋予了贝壳珍珠层出色的力学性能和韧性。
在微观尺度上，贝壳珍珠层的文石晶体呈现出特殊的取向和排列方式，这种排列方式能够有效地分散和承受外部应力，从而提高其整体强度。
有机基质在文石晶体之间起到桥梁和连接作用，通过化学键合和物理缠结，使晶体之间的结合更加紧密和稳定。
贝壳珍珠层的性质也因其独特的结构而表现出色。
其硬度较高，能够有效地抵抗外界压力和磨损。
贝壳珍珠层具有较高的断裂韧性和抗冲击性能，这得益于其层状结构和有机基质的协同作用。
贝壳珍珠层还具有良好的光学性能，如光泽度和透明度，使其具有独特的观赏价值。
近年来，随着纳米技术和生物矿化研究的深入，人们对贝壳珍珠层的结构和性质有了更深入的理解。
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。
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。
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。
《仿生螺旋结构复合材料断裂韧性实验研究与数值模拟》范文
《仿生螺旋结构复合材料断裂韧性实验研究与数值模拟》篇一一、引言随着现代科技的发展，复合材料因其优异的性能在众多领域得到了广泛应用。
其中，仿生螺旋结构复合材料因其独特的结构特点和优异的力学性能，在航空航天、生物医疗等领域展现出巨大的应用潜力。
然而，对于其断裂韧性的研究尚处于初级阶段，这对其在实际工程中的应用构成了挑战。
因此，本文将针对仿生螺旋结构复合材料的断裂韧性进行实验研究与数值模拟，以期为该类材料的进一步应用提供理论支持。
二、实验研究1. 材料制备与样品制备仿生螺旋结构复合材料采用先进的制备工艺，通过将增强纤维与基体材料进行复合，形成具有螺旋结构的复合材料。
样品制备过程中，需严格控制纤维的排列、基体的性质以及样品的尺寸等因素，以保证实验结果的准确性。
2. 实验方法与过程采用准静态拉伸实验和动态冲击实验对仿生螺旋结构复合材料的断裂韧性进行测试。
在准静态拉伸实验中，通过逐步增加载荷，观察材料的断裂过程；在动态冲击实验中，利用落锤冲击设备对材料进行高速冲击，分析材料的抗冲击性能和断裂韧性。
3. 实验结果与分析通过实验测试，得到仿生螺旋结构复合材料在不同条件下的应力-应变曲线、断裂模式以及断裂韧性等数据。
分析结果表明，该类材料具有较高的断裂韧性和优异的抗冲击性能。
此外，材料的断裂模式受纤维排列、基体性质等因素的影响，呈现出不同的断裂特征。
三、数值模拟1. 有限元模型建立采用有限元分析软件，建立仿生螺旋结构复合材料的有限元模型。
模型中考虑了纤维的排列、基体的性质以及材料的非线性特性等因素，以模拟真实的材料结构。
2. 边界条件与加载方式根据实验条件，设定合适的边界条件和加载方式。
在准静态拉伸模拟中，采用位移控制加载方式；在动态冲击模拟中，根据实际冲击条件设定速度、加速度等参数。
3. 结果与讨论通过有限元分析，得到仿生螺旋结构复合材料在准静态和动态条件下的应力分布、应变分布以及断裂过程等信息。
将数值模拟结果与实验结果进行对比，验证了有限元模型的准确性。
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力学性能 的方向性
截面宏观 非均质
如木、竹
显微组元 具有复杂 的、多层 次的精细 结构。
复合材料的仿生设计
1
2 3
复合材料最差界面的仿生设计
分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应
仿生螺旋的增韧作用
4
5
仿生愈合与自愈合抗氧化
仿生叠层复合材料的研究
一、复合材料最差界面的仿生设计
• 复合材料的界面强结合可以实现力的理想传递，从而提高 材料强度，但降低韧性。弱结合与之相反。 • 最佳界面结合状态不稳定，在载荷作用下会偏离最佳点而 变坏。 • 仿生界面设计采用仿骨的哑铃型增强体和仿树根的分形树 型增强体，通过基体和增大了的端头之间的压缩传递应力 而对界面状态不提出特殊的要求。 • 应力传递对界面状态不敏感，即使界面设计很差，也能满 足要求而得到优良的性能。
五、 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
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。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。 • 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，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶 的涂层。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。
仿生复合材料
1
2 3
材料研究的难题
奇妙的生物材料
仿生材料与仿生学
4
复合材料的仿生设计
当今材料学研究领域所面临的问题
连续纤维的脆性和 界面设计的困难 纤维易由基体拔出 而导致增强失效
晶须长径比不易选择
Problem
寻求陶瓷基复合材料 增韧方法时遇到困难
寻找复合材料损伤 性能的恢复方法
内部裂纹的愈合方法
壁虎胶带
•
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 1mm2 上约有5000 根长度为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。
6.制备内生复合材料的熔铸-原位反 应技术
• 将原材料粉末加入金属熔体中，利用粉末 元素间的放热反应，在金属熔体中直接反 应生成所需的增强相，可制备出一系列颗 粒增强的金属复合材料。
7）仿生叠层复合材料的制备
• 金属的选择和表面的预处理
• 树脂的选择
• 叠层材料的制备
陶瓷仿生工艺
• 在膜中生长粒子可得到形状和尺寸都可控 的粒子，且粒子周围的有机层可防止团聚。 在聚合物或凝胶基体上原位形成无机粒子 可制备块状陶瓷复合材料。
• 二、分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应
二、分形结构
分形树状纤维和晶须的增强与增韧 效应
• 分形树结构纤维模型模仿的是土壤中的草
根和树根。
• 实验研究：纤维拔出的力和能量随分叉角
变大而增高。
分形树状纤维和晶须的增强与增 韧效应
• 三、仿生螺旋的增韧作用
三、仿生螺旋的增韧作用
• 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。
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
骨替代材料的化学仿生
3. 微观晶体结构仿生
• 与分子尺度相比，晶体尺度的微结构仿生 可以抛开物质构成成分的限制实现材料组 分的微观仿生复合。 • 珍珠由95%文石单晶与5%蛋白质多聚糖基 体相互交替叠层形成，珍珠硬度为组成相 的两倍，韧性为组成相的1000倍。 • 珍珠的叠层微结构存在三种增韧机理：裂 纹变形、纤维拔出、有机基体的桥联作用。
16
仿生材料
仿生材料与 仿生材料学
仿生材料
指模仿生物 的各种特点 或特性而开 发的材料。
仿生材料学的
研究内容就是以阐 明生物体的材料构 造与形成过程为目 标,用生物材料的观 点来思考人工材料, 从生物功能的角度 来考虑材料的设计 与制作。
生物材料的特性
复合
生物材料
功能适应性
创伤愈合
• 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
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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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复合材料的仿生设计和制备
外形 力学性能 截面 结构
特定的， 不规则 的外形， 如：骨骼
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。 • 生物材料体现出优良的载荷传递能力。 • 纤维端部形成哑铃状的膨胀端来模仿动物骨的构 造，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
层复合材料
叠层复合材料性质
叠层复合材料珍珠层
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）
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珍珠：砖墙结构和蜂窝结构
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• 复合材料的仿生设计方法
复合材料的仿生设计方法
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界面宏观拟 态仿生设计
分子尺度的 化学仿生
微观晶体结 构的仿生
制造工艺仿 生
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。
北极熊的“卫兵”——毛发，粗糙的外层保护底层细软绒毛免受恶 劣自然环境破坏。虽然看上去是白色的，但它们实际上是透明的， 每一根毛发都拥有中空结构，能够起到极好的保温隔热作用。
4.制造工艺仿生
• 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。
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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。
3. 微观晶体结构仿生的应用
• 在树脂多层复合材料中，先加入晶须，用 磁场将晶须定位，晶须在层间形成桥联。 • 5层0.38mm厚的三氧化二铝和4层0.18mm 厚的纤维增强环氧树脂条交替叠层而成。 • 三点弯曲试验表明，其断裂功比单体三氧 化二铝提高了80倍。 • 模仿珍珠微观增韧结构并应用于陶瓷改性 研究已取得很大进展。
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
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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