材料学ppt课件

贝壳结构及其仿生材料
目前的局限性和前景
叠层微组装材料时发现合成材料的硬度和韧性取决于TiN和Pt层的厚 度,一定的TiN和Pt层厚度将会使材料的硬度和韧性得到最佳结合,这样 的材料不仅可以具有陶瓷材料的强度和化学稳定性又具有金属材料的抗 冲击能力,当单层膜厚度达到纳米级时，有可能发生特殊的尺寸效应， 这是一个非常值得深入追踪的领域,利用这一特点，可以开发出新型的 超硬材料，在减摩&耐磨等方面加以应用,目前在纳米多层膜的研究中， 一方面是更广泛地探索不同材料间的纳米组合，以寻求稳定的具有超硬 效应的材料系统；另一方面也开展相应的理论研究，以增进 对超硬现 象的物理本质的认识。
应用
由于天然蜘蛛丝具有质轻、超坚韧性、突出形状记忆效应 及生物相容性好等特性，因此，它在航空航天(如飞机和人 造卫星的结构材料、复合材料，宇航服装)、军事(如坦克 装甲、防弹衣、降落伞)、建筑(如桥梁和高层建筑的结构 材料)、医学(如人造关节、肌腱、韧带)等领域表现出广阔 的应用前景．其实，早在1709年就出现了人类利用天然蜘 蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，天然蜘蛛丝曾被 广泛用作显微镜、望远镜、枪炮瞄准系统等光学装置的十 字准线．天然蜘蛛丝已吸引了世界各国科学家的巨大兴趣 和广泛关注．而切蜘蛛丝的坚韧性使其适合于做高级防弹 衣。是现行防弹衣材料的的3倍,
(3)仿生设计新型材料．
第三阶段将深入到仿生学高度，建立仿生材料创新技术，实 现其仿生设计方法和理念，由此研制新型仿生材料，为人 类所用。
仿生材料学的研究内容
生物材料具有多种优良特征, 如复合特征、功能适应性、 自愈合与自我复制功能、合成技术、多功能性、防粘减阻 与疏水功能等 , 因此成为仿生材料学的研究热点。包括: ① 生物材料的物理和化学分析, 以便更好地理解其结构的设 计和性能。②直接模仿生物体进行的材料制备与开发。③ 利用生物加工技术制备材料的力学行为分析。④在模仿过 程中, 以所得到的结构、化学等新概念, 进行新型合成材料 的设计。⑤仿生材料和结构在新领域中的应用, 如在机器 人和航空结构等方面。⑥在生物的结构力学分析指导下, 对现有结构设计的优化。⑦分析生物材料及结构在进化过 程中设计标准。⑧模仿生物体进行的某些系统的开发, 如 超灵敏度机械接受器等。
仿生材料学的当前研究热点
贝壳结构及其仿生材料 骨骼结构及其仿生材料 蜘蛛丝结构及其仿生材料 纳米仿生材料 竹子的结构及其仿生复合材料
贝壳结构及其仿生材料
贝壳仿生材料的研究进展 仿珍珠层的陶瓷增韧复合材料对贝壳珍珠层的结构研究表明，珍珠层
内的文石晶体与有机基质交替叠层排列方式是造成裂纹偏转产生韧化 的关键所在。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，这是一种靠细观结构实现的止裂机制。根据这 一止裂机制，人们开展了仿珍珠层陶瓷增韧复合材料的研究。 利用以上原理以C纤维为软相，Al2O3为陶瓷基，叠层热压烧结，制 成Al2O3 增韧复合材料，其断裂韧性提高了2倍。制备出的Al2O3芳 伦纤维增强环氧树脂叠层复合材料，与单相Al2O3 相比，其断裂功提 高了80倍。黄勇等制备的si3N4／BN纤维独石结构仿珍珠层陶瓷，其 断裂功高出常规热压si3N4块体陶瓷100倍。相比于金属软相和石墨层 ，纤维、高分子材料等软相能有效阻止裂纹的穿透扩展，其止裂能力 更加优越。
仿生材料
向小明
wenku.baidu.com 定义
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，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．仿生材料是指向自然界 学习,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 , 仿生材料学是以阐明 生物体的材料结构与形成过程为目标, 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，使材料制备节省能源和资源，实现系统智 能化,环境友好化和高效化。
蜘蛛丝结构及其仿生材料
蜘蛛丝的特性
天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料，属于一种 生物弹性体纤维，它是自然界产生最好的结构和功能材料之一．蜘蛛丝的结 构具有极好的机械强度, 其强度远高于蚕丝、涤纶等, 刚性和强度低于KEVLAR 和钢材, 但其断裂能位于各纤维之首, 高于KEVLAR 和钢材。与人造纤维相比, 蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类和环境都是友好的; 蜘蛛丝还具有高弹 性、高柔韧性和较高的干湿模量, 是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此 外, 蜘蛛丝还具有信息传导、反射紫外线等功能。此外，天然蜘蛛丝还显示出 特别的扭转形状记忆效应，当它被扭转到其它准平衡位置时，由于高阻尼效 应，它几乎不振荡，并且不需要任何额外的刺激就能以指数方式完全恢复到 其初始的状态，从而有效防止悬挂在空中的蜘蛛转动摇摆|。
2 资源加工学
仿生材料的发展
仿生材料的研究包括3个阶段：
(1)对天然生物材料结构和功能的认识和感知；
第一阶段主要是从大自然中探求具有优异独特功能的天然物 材料作为研究对象，从中寻求仿生材料的设计方法和灵感 ；
(2)对天然生物材料性能的研究；
第二阶段则是探究天然生物材料结构与功能形态之间的关系 ，并结合实验表征手段测定其性能参数，总结规律，揭示 其构成机理和运行机制；
由于叠层状复合材料具有独特的结构特点和力学性能，有希望作为 高温结构用材而成为下一代涡轮叶片材料，并在宇航、军事、化工、石 油和机械等诸多领域有着广阔的应用前景。目前，叠层复合材料中叠层 的尺度大都集中在教米的尺度上，而实际的珍珠层是纳米级的，具有一 定取向的微组装结构。虽然有些学者对纳米级的叠层复合材料进行了初 步的探讨，但距贝壳珍珠层材料的性能还相差甚远，但可以肯定叠层状 复合材料具有广阔的研究前景。
蜘蛛丝结构及其仿生材料
表1列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性能，通过比较可以 发现，天然蜘蛛丝优良的综合性能，特别是其高比强度(约为钢铁的5 倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能180 MJ／m3为各材 料中最高)是其它天然纤维与合成纤维所无法比拟的
蜘蛛丝结构及其仿生材料