仿生复合材料ppt
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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。
材料导论第十四章复合材料ppt课件
混凝土＝水泥+砂+石
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复 合 材
按增强相 的形态分
颗粒增强 纤维增强 晶须增强
碳纤维 玻璃纤维 有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料 承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩 擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相 复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具 有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石 墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反 应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度， 且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于 汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复 合 材
按增强相 的形态分
颗粒增强 纤维增强 晶须增强
碳纤维 玻璃纤维 有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料 承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩 擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相 复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具 有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石 墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反 应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度， 且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于 汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等
浅谈仿生材料PPT课件
蘑菇能做什么？
利用真菌制作的材料
在世界上生产的纤维材料中，有一种网状 菌丝体，它由纤维缠绕，显得毫无织物纹路， 更无法测定其性能，可它却成为当今世界发 达国家最看好的可再生资源。而且当它废弃 时，还可以成为复合材料工业中最为看好的 再生资源，即废旧利用原材料。
美国纽约一家称为Ecovative Design的纤 维开发公司将这种菌丝缠绕材料设计为建筑 用复合材料。由此，他们再也不用传统所用 的高成本聚氨酯树脂，取而代之，他们认为， 真菌细丝纤维网的作用更好。这种很细的菌 丝活跃度很强，纤维丝生长长度可达8英里， 可替代天然胶。其终端产品除了做包装材料 外，还可以做绝缘材料、服装纤维材料等等。
研究人员称，关于两种碳纳米管在太阳能电 池中具有不同效用的发现也是此次研究的一 项重要成果，此前还没有被实验证明过。半 导体纳米管可以提高太阳能电池的性能，但 导线类纳米管的作用却正好相反。该发现或 有助于设计出更有效的纳米电池、压电材料 或其他与电力相关的材料。
负责该项研究的麻省理工学院教授安吉拉·贝 尔彻说，该技术还可以用来设计其他病毒增 强型太阳能电池，包括量子点和有机太阳能 电池。在提高普通太阳能电池的转化效率上 该技术也有很大的潜力，不过这有赖于生物 技术的进一步发展。
设计灵感源自贻贝等海洋生物。美国加州大 学圣塔芭芭拉分校有机化学教授赫伯特-韦特 设计了一种新颖方法制造适用于潮湿表面的 胶棒。
模拟鲨鱼皮的抗菌材料
对于海洋中的某些细菌、海藻和贝类而言， 从身边经过的一艘艘轮船就是活动的礁石， 船底、船身、管道都是它们栖身的绝佳场所。 如果船舶船体上不使用防生物污损的防护涂 料，往往不出两个月，船底就会被各种海洋 附着生物覆盖得几乎看不出原样。
研究人员经研究发现，M13病毒可以很好地解决这 一问题。这种病毒长度为880纳米，结构简单易于 操控，且对人体无害。M13病毒中的一种肽可使其 附着在碳纳米管上，从而保证纳米管处于恰当的位
复合材料课件第八章 仿生复合材料
主要研究人体结构与精细结构的静 力学性质，以及人体各个组成部分在体 内相对运动和人体运动的动力学性质， 从生物力学角度为疾病的预防、诊断和 治疗及人工器官、医疗康复器械的设计 与研制提供科学根据。
46
一、复合材料最差界面的仿生设计
二、分形树状纤维和晶须的增强与构（Fibrous monolithic structure）
Matrix fiber
Interfacial layer
Structure of Bamboo and tree
Fibrous monolithic ceramics
❖1988年Coblenz提出了纤维独石结构设计的思想 ❖1993年Baskaran率先完成了这种陶瓷材料的制备，制备了SiC/C纤维
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。
45
分类
结构仿生
功能仿生
材料仿生 力学仿生
指模拟生物的各种特点或特性而 进行各种材料开发的仿生技术。它 的研究内容以阐明生物体的材料构 造与形成过程为目标，用生物材料 的观点来考虑材料的设计与制作。
贝壳珍珠层的层状结构
鲍鱼壳（abalone shell）断面显微结构
层状结构（Laminated or layered structure）
matrix layer
Interfacial layer
matrix layer
Structure of Nacre
Laminated structure ceramics
❖1994年，清华大学黄勇教授课题组研究了Si3N4/BN层状结构陶瓷复合材料，其表观断裂 韧性高达28MPam1/2，断裂功高达4000J/m2，比常规的Si3N4材料分别提高了数倍和数十 倍。
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一、复合材料最差界面的仿生设计
二、分形树状纤维和晶须的增强与构（Fibrous monolithic structure）
Matrix fiber
Interfacial layer
Structure of Bamboo and tree
Fibrous monolithic ceramics
❖1988年Coblenz提出了纤维独石结构设计的思想 ❖1993年Baskaran率先完成了这种陶瓷材料的制备，制备了SiC/C纤维
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。
45
分类
结构仿生
功能仿生
材料仿生 力学仿生
指模拟生物的各种特点或特性而 进行各种材料开发的仿生技术。它 的研究内容以阐明生物体的材料构 造与形成过程为目标，用生物材料 的观点来考虑材料的设计与制作。
贝壳珍珠层的层状结构
鲍鱼壳（abalone shell）断面显微结构
层状结构（Laminated or layered structure）
matrix layer
Interfacial layer
matrix layer
Structure of Nacre
Laminated structure ceramics
❖1994年，清华大学黄勇教授课题组研究了Si3N4/BN层状结构陶瓷复合材料，其表观断裂 韧性高达28MPam1/2，断裂功高达4000J/m2，比常规的Si3N4材料分别提高了数倍和数十 倍。
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
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。
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
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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
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
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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。
2024版《复合材料》PPT课件
基体材料选择
如环氧树脂、聚酰胺、聚酯等，具有良好的粘结性、耐腐蚀性等 特点。
原材料预处理
包括清洗、干燥、剪裁、浸润等步骤，以确保原材料的质量和性 能。
成型工艺方法介绍
手糊成型
喷射成型
将纤维增强材料和基体材料手工逐层铺设在 模具上，通过手工涂刷或喷涂基体材料，形 成复合材料制品。
利用喷枪将基体材料和短切纤维同时喷向模 具表面，形成复合材料层。
复合材料可用于制造汽车发动机罩、底盘护板等部件，具 有减振、降噪和提高耐久性等优点。
建筑领域应用
结构构件
复合材料用于制造建筑结构如梁、板、柱等，具有轻质高强、耐腐蚀和耐候性等优点，如纤 维增强混凝土（FRC）在建筑中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
内饰部件 复合材料可用于制造汽车座椅、仪表盘、门板等内饰部件， 提高舒适性和美观度，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）在 内饰中的应用。
发动机和底盘部件
光子复合材料
能够调控光的传播路径和性质， 具有隐身、光学存储等智能特性， 在光通信、光计算等领域具有重 要应用价值。
THANKS
汇报结束 感谢聆听
《复合材料》PPT课件
目录
contents
• 复合材料概述 • 复合材料的组成与结构 • 复合材料的制备工艺 • 复合材料的性能特点 • 复合材料的应用实例分析 • 复合材料的未来发展趋势
01
复合材料概述
定义与分类
定义
如环氧树脂、聚酰胺、聚酯等，具有良好的粘结性、耐腐蚀性等 特点。
原材料预处理
包括清洗、干燥、剪裁、浸润等步骤，以确保原材料的质量和性 能。
成型工艺方法介绍
手糊成型
喷射成型
将纤维增强材料和基体材料手工逐层铺设在 模具上，通过手工涂刷或喷涂基体材料，形 成复合材料制品。
利用喷枪将基体材料和短切纤维同时喷向模 具表面，形成复合材料层。
复合材料可用于制造汽车发动机罩、底盘护板等部件，具 有减振、降噪和提高耐久性等优点。
建筑领域应用
结构构件
复合材料用于制造建筑结构如梁、板、柱等，具有轻质高强、耐腐蚀和耐候性等优点，如纤 维增强混凝土（FRC）在建筑中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
内饰部件 复合材料可用于制造汽车座椅、仪表盘、门板等内饰部件， 提高舒适性和美观度，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）在 内饰中的应用。
发动机和底盘部件
光子复合材料
能够调控光的传播路径和性质， 具有隐身、光学存储等智能特性， 在光通信、光计算等领域具有重 要应用价值。
THANKS
汇报结束 感谢聆听
《复合材料》PPT课件
目录
contents
• 复合材料概述 • 复合材料的组成与结构 • 复合材料的制备工艺 • 复合材料的性能特点 • 复合材料的应用实例分析 • 复合材料的未来发展趋势
01
复合材料概述
定义与分类
定义
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?
复合材料课件第八章 仿生复合材料-二
300
Displacement (m)
Load-displacement curve
层状结构陶瓷复合材料的结构和性能
（1）显微结构
（2）力学性能
Sample 1 2 3 4
Secondary reinforcement -Si3N4 seeds
(3 wt%) SiC whiskers
(20 wt%) -Si3N4 seeds
11.370.75 75072.17
Cold press
Compact rolling
Compact rolling
8.10.8 820.6799.7 15.121.14 498.3722.72 28.111.00 651.4774.94
2、块体材料（自学）
1）纤维和层状陶瓷 2）聚合物—陶瓷复合材料 3）聚合物的原位矿化 4）可控矿化
❖ 制备技术和工艺参数的确定
根据仿生结构陶瓷的结构特点，选择合适的制备工 艺（成型、涂覆、烧结等），优化工艺参数。如纤维独 石结构陶瓷复合材料可采用挤制成型的方法成型基体纤 维，而层状结构陶瓷可采用轧膜成型或流延法成型制备 基体陶瓷片层。界面层的涂覆工艺、排胶和烧结工艺都 根据具体材料体系的不同而定。
仿生复合材料
层状结构
螺旋纤维结构
分形树状纤维结构
仿骨哑铃状纤维结构
骨替代材料的化学仿生
骨替代材料必须具有细胞载体框架结构，可控制的非 均质多微孔连通结构以及具有结构梯度和材料分布梯 度。其中最具有代表性的是羟基磷灰石（HA）和磷 酸三钙（α-TCP和β-TCP）。用磷酸钙生物陶瓷制备CaP防骨的合成路线：
❖ 界面分隔层要与结构单元具有适中的结合，既要保证它们之 间不发生反应，可以很好地分隔结构单元，使材料具有宏观 的结构，又要保证可以将结构单元适当地“粘接”而不发生 分离。
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
.
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
.
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
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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。
仿生材料 ppt课件
ppt课件
16
2.3仿壁虎脚粘附材料
自然界一类生物,如壁虎、蜘蛛、蚱蜢、蚂 蚁、苍蝇等,不但能在垂直的墙壁上停留和爬行, 而且能在天花板上运动自如.这种超强粘附爬行 的能力引起了人们广泛的研究兴趣, 其中壁虎由 于体重较大成为仿生粘附研究的主要对象.早在 公元前4世纪亚里士多德就观察到“壁虎甚至能 够头部向下也可以在树上自由地上下爬行”。
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
pp了t课荷件叶下表面是抗生物粘附的性质。
14
水下超疏油仿生界面材料的构筑
在仿生研究领域中，模板复形法是一种简单、有效、快速的技术，能够通过 复制生物界面的表面结构获得具有特殊功能性的界面材料。环氧树脂、聚二 甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氧化铝、聚电解质、光聚合 物都可以用做模板材料。
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.
ppt课件
10
中科院化学所的徐坚等发明了制造“仿 生荷叶”技术。他们分析了荷叶的表面 细微结构，发现其表面有许多乳状突起， 这些肉眼看不见的小颗粒，正是“荷花 自洁效应”的成因，可以让荷叶不沾染 脏东西。于是，专家们模仿了荷叶的表
ppt课件
18
Qu 等利用化学气相沉积法,在硅基底上生长出竖直排列的多壁碳纳米管阵列,并 研究了其粘附性能.碳纳米管由竖直部分及端部的弯曲部分组成,分别用来仿生壁
虎脚部刚毛和铲状绒毛.当碳纳米管阵列与基底接触时,弯曲部分与基底表面的线
纳米材料的仿生合成PPT课件
Ca2+
CO32- 成核
生物矿物的特点
珍珠的层状结构
具有特殊的高级结构和组装方式； 具有特殊的理化性质和生物功能; 天然的生物高分子/无机复合材料.
生物矿化的4个阶段
1）有机基质的预组织（超分子预组织）： 在矿物沉积前构造一个有组织的反应环
境，该环境决定了无机物成核的位置。有 机基质的预组织是生物矿化的模板前提， 预组织原则是指有机基质与无机相在分子 识别之前将识别无机物的环境组织的愈好， 则它们的识别效果愈佳,形成的无机相愈稳 定。该阶段是生物矿化进行的前提。
4）外延生长（细胞水平调控与再加工）
在细胞参与下亚单元组装成更高级的结构。 该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别 的主要原因，而且是复杂超精细结构在细胞活动 中进行最后的修饰的阶段。
(-)无机纳米材料的仿生合成
将生物矿化的原理引入到无机材料的 合成中，以有机物的组装体为模板（软模 板），去控制无机物的形成。制备具有独 特的显微结构特点的无机材料，使材料具 有优异的物理和化学性能。
磷蛋白——可溶性蛋白,富含天冬氨酸,磷酸丝氨酸, 与Ca2+结合力强 作用：引起和指导矿化
珍 珠 = 碳酸钙 + 有机基质 (壳角蛋白)
方解石 文石
• 不溶性多糖几丁质和蛋白质 • 富有天冬氨酸等酸性氨基酸 的可溶蛋白
生物分子诱导碳酸钙纳米颗粒的形成示意图
Y
Y
Y
Y
Asp
Asp
Asp
天冬氨酸
界面分子或离子识别
Gv =-R Tg / n S……（1）
where R, Tg and S are gas constant, absolute temperature and supersaturation, respectively.
CO32- 成核
生物矿物的特点
珍珠的层状结构
具有特殊的高级结构和组装方式； 具有特殊的理化性质和生物功能; 天然的生物高分子/无机复合材料.
生物矿化的4个阶段
1）有机基质的预组织（超分子预组织）： 在矿物沉积前构造一个有组织的反应环
境，该环境决定了无机物成核的位置。有 机基质的预组织是生物矿化的模板前提， 预组织原则是指有机基质与无机相在分子 识别之前将识别无机物的环境组织的愈好， 则它们的识别效果愈佳,形成的无机相愈稳 定。该阶段是生物矿化进行的前提。
4）外延生长（细胞水平调控与再加工）
在细胞参与下亚单元组装成更高级的结构。 该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别 的主要原因，而且是复杂超精细结构在细胞活动 中进行最后的修饰的阶段。
(-)无机纳米材料的仿生合成
将生物矿化的原理引入到无机材料的 合成中，以有机物的组装体为模板（软模 板），去控制无机物的形成。制备具有独 特的显微结构特点的无机材料，使材料具 有优异的物理和化学性能。
磷蛋白——可溶性蛋白,富含天冬氨酸,磷酸丝氨酸, 与Ca2+结合力强 作用：引起和指导矿化
珍 珠 = 碳酸钙 + 有机基质 (壳角蛋白)
方解石 文石
• 不溶性多糖几丁质和蛋白质 • 富有天冬氨酸等酸性氨基酸 的可溶蛋白
生物分子诱导碳酸钙纳米颗粒的形成示意图
Y
Y
Y
Y
Asp
Asp
Asp
天冬氨酸
界面分子或离子识别
Gv =-R Tg / n S……（1）
where R, Tg and S are gas constant, absolute temperature and supersaturation, respectively.
第七章 仿生复合材料20160408
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。
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
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
-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 （可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结构 ，优化的结构等） （催化，传输过程，分子识别等）
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பைடு நூலகம்有所降低，但塑性明显提高
2. 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,氢气还原为铁，在1473K使碳纤维在基板上合成 。
• 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
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-
英国开发自愈材料可让受损飞机自我修复
-
Thank you
-
人类在设计某些东西时，可以从生物结构 上得到一些灵感（如，雷达的产生），甚 至直接套用生物结构（如，锯齿）。
-仿生学应Biblioteka 举例模仿白暨豚头部造型的电动车
-
生物材料
人们知道，自然界的生物材料具有复合结 构，经过亿万年自然选择与进化，形成大 量天然合理的结构与形态。所有这些均可 作为人们进行材料仿生研究的参考。
仿生复合材料
-
什么是仿生学？
仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据 拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾 “nic”(“具有……的性质”的意思）构成 的。
仿生学是研究生物系统的结构和性质以 为工程技术提供新的设计思想及工作原 理的科学。
-
仿生学的作用
在生物千万年的进化过程后，往往会针对 某一特定功能需求，而产生最优化的结构。
仿生复合材料不仅可以参照生物体的结构来设计优良 的结构用材料，同时也可仿效其功能发展功能材料。
-
复合材料的结构仿生
生物材料中螺旋的增韧作用 竹层的结构：
维束管：增强体（包括筛管和韧 皮纤维。实际上，韧皮纤维承担了绝大 部分载荷。）
薄壁细胞：基体
-
复合材料的结构仿生
排列方式：精细结构包含若干厚薄相间的 层，每层中的微纤丝以不同的夹角分布。 （每层中的微纤丝以不同升角分布，通常 厚层为3°~10°，薄层为30°~45°。）
-
生物材料的复合特性
生存下来的生物结构大都符合环境要求， 并成功地达到了优化水平。
如，木材 宏观结构：由树皮、边材和芯材组成复合
材料。 微观结构：由许多功能不同的细胞构成。
细胞壁可以看作多层的复合柱体。
-
木材宏观结构
木材微观结构
-
生物材料的功能适应性
无论是从形态学的观点还是从力学的观点来看， 生物材料都是十分复杂的。这种复杂性是长期自 然选择的结果，是由功能适应性所决定的。
-
仿生复合材料
例如，几乎所有的植物纤维细胞都是空心的、多层的， 而且往往是分叉的。以CVD法制备的仿生空心石墨纤维 的强度与柔韧性均较实心者为佳。
按照仿竹结构提出了一种碳纤维增强树脂的优化模型。 实验结果表明，仿竹材料的平均弯曲强度比具有同样 数量基体和增强纤维，但分布均匀者提高81%，最优者 高出103%。
复合材料。天然生物材料大都为复合材料， 经过亿万年的进化基本上都符合节约高效 的优化原则，即以最少的材料达到最高的 效能。
-
仿生复合材料
仿生复合材料就是向天然生物材料寻找启 发和模拟制造的。生物材料机理分析的任 务就是从材料科学的观点对 其进行观察、 测试、分析、计算、归纳和抽象，找出有 用的规律来指导复合材料的设计和研制。
-
复合材料的功能仿生
（2）水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分 别为161.0±2. 7°和2°这样强的超疏水 能力和不黏附的特性使荷叶产生了自清洁 效应。
荷叶表面由许多直径为5—9μm的乳突构成, 而每个乳突又是由平均直径为124. 3±3. 2nm的纳米结构分支组成。
（参考,高雪峰，江雷.天然超疏水生物表面研究的新进展.物理）
能身穿一层与一种非洲鱼 “外衣”类似的防弹盔甲。 这种非洲鱼名为塞内加尔多 鳍鱼，俗称金恐龙鱼，已经 有近1亿年的历史。目前，美 国陆军已向麻省理工学院的 工程师提供资金，揭开构成 每个鳞片的多层材料如何排 列进而保护这种远古时代的 鱼免遭捕食者之口的秘密。 研究人员在2008年夏季报告 了他们的发现，并计划将发 现应用到结构材料研制上， 例如为士兵开发防弹盔甲。
由于树木具有负的向地性，通常生长挺直，一旦 树木倾斜，偏离了正常位置，便会在高应力区产 生特殊结构，使树干重新恢复正常位置。这无疑 说明树木具有某种反馈功能和自我调节的能力。
-
树的枝桠
枝桠处的纹理
-
仿生学=生物结构+工程技术 生物结构+复合材料技术=
-
仿生复合材料
仿生复合材料（bionics composite ） 性质：参照生物材料的规律设计并制造的
-
复合材料的功能仿生
超疏水应用
料可 自 洁 的 涂
-
-
复合材料的功能仿生
2.自修复功能仿生 在自然界中，生物材料在受到损伤后，
往往能自我修复，如，骨折的愈合，树 木的结痂愈合。 那么能不能研究出具有自愈性能的材料 呢？
-
复合材料的功能仿生
英国工程与科学研究委员会的研究人员正 在开发一种特殊的复合材料，这种材料在 受到挤压或损坏时会“流出”树脂，有效 形成可修复受损处的“痂疤”。这项创新 可能会显著提高航空安全，同时激励技术 人员开发更轻型的飞机，将生物模仿 (biomimicry)技术引入航空领域。
-
竹纤 维的 结合 方式
-
仿生螺旋纤维增强材料
用仿生双螺旋玻璃纤维增强环氧树脂，所 得层合板具有较好的断裂韧性和抗扭强度。
采用螺旋碳纤维制成的复合材料具有高的 抗拉强度和冲击韧性。
-
结构仿生举例
鲨鱼皮微观结构
仿鲨鱼皮结构的泳衣
-
结构仿生举例
仿金恐龙鱼的未来盔甲 在未来战场上出现的士兵可
金恐龙鳗鱼
新概念鱼鳞式盔甲
-
复合材料的功能仿生
1.超疏水界面仿生 自然界中的超疏水
-
复合材料的功能仿生
（1）蝉翼不仅透明轻薄,而且其表面有非 常好的超疏水性和自清洁性。
蝉翼的厚度大约在8—10μm,而且蝉翼的上 下表面都是由规则排列的纳米柱状结构组 成的。这些纳米柱的直径大约在80 nm左右， 纳米柱之间的间距大约在180 nm左右。此 外，纳米柱的高度大约在200 nm左右
英国开发自愈材料可让受损飞机自我修复
-
Thank you
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人类在设计某些东西时，可以从生物结构 上得到一些灵感（如，雷达的产生），甚 至直接套用生物结构（如，锯齿）。
-仿生学应Biblioteka 举例模仿白暨豚头部造型的电动车
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生物材料
人们知道，自然界的生物材料具有复合结 构，经过亿万年自然选择与进化，形成大 量天然合理的结构与形态。所有这些均可 作为人们进行材料仿生研究的参考。
仿生复合材料
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什么是仿生学？
仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据 拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾 “nic”(“具有……的性质”的意思）构成 的。
仿生学是研究生物系统的结构和性质以 为工程技术提供新的设计思想及工作原 理的科学。
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仿生学的作用
在生物千万年的进化过程后，往往会针对 某一特定功能需求，而产生最优化的结构。
仿生复合材料不仅可以参照生物体的结构来设计优良 的结构用材料，同时也可仿效其功能发展功能材料。
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复合材料的结构仿生
生物材料中螺旋的增韧作用 竹层的结构：
维束管：增强体（包括筛管和韧 皮纤维。实际上，韧皮纤维承担了绝大 部分载荷。）
薄壁细胞：基体
-
复合材料的结构仿生
排列方式：精细结构包含若干厚薄相间的 层，每层中的微纤丝以不同的夹角分布。 （每层中的微纤丝以不同升角分布，通常 厚层为3°~10°，薄层为30°~45°。）
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生物材料的复合特性
生存下来的生物结构大都符合环境要求， 并成功地达到了优化水平。
如，木材 宏观结构：由树皮、边材和芯材组成复合
材料。 微观结构：由许多功能不同的细胞构成。
细胞壁可以看作多层的复合柱体。
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木材宏观结构
木材微观结构
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生物材料的功能适应性
无论是从形态学的观点还是从力学的观点来看， 生物材料都是十分复杂的。这种复杂性是长期自 然选择的结果，是由功能适应性所决定的。
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仿生复合材料
例如，几乎所有的植物纤维细胞都是空心的、多层的， 而且往往是分叉的。以CVD法制备的仿生空心石墨纤维 的强度与柔韧性均较实心者为佳。
按照仿竹结构提出了一种碳纤维增强树脂的优化模型。 实验结果表明，仿竹材料的平均弯曲强度比具有同样 数量基体和增强纤维，但分布均匀者提高81%，最优者 高出103%。
复合材料。天然生物材料大都为复合材料， 经过亿万年的进化基本上都符合节约高效 的优化原则，即以最少的材料达到最高的 效能。
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仿生复合材料
仿生复合材料就是向天然生物材料寻找启 发和模拟制造的。生物材料机理分析的任 务就是从材料科学的观点对 其进行观察、 测试、分析、计算、归纳和抽象，找出有 用的规律来指导复合材料的设计和研制。
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复合材料的功能仿生
（2）水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分 别为161.0±2. 7°和2°这样强的超疏水 能力和不黏附的特性使荷叶产生了自清洁 效应。
荷叶表面由许多直径为5—9μm的乳突构成, 而每个乳突又是由平均直径为124. 3±3. 2nm的纳米结构分支组成。
（参考,高雪峰，江雷.天然超疏水生物表面研究的新进展.物理）
能身穿一层与一种非洲鱼 “外衣”类似的防弹盔甲。 这种非洲鱼名为塞内加尔多 鳍鱼，俗称金恐龙鱼，已经 有近1亿年的历史。目前，美 国陆军已向麻省理工学院的 工程师提供资金，揭开构成 每个鳞片的多层材料如何排 列进而保护这种远古时代的 鱼免遭捕食者之口的秘密。 研究人员在2008年夏季报告 了他们的发现，并计划将发 现应用到结构材料研制上， 例如为士兵开发防弹盔甲。
由于树木具有负的向地性，通常生长挺直，一旦 树木倾斜，偏离了正常位置，便会在高应力区产 生特殊结构，使树干重新恢复正常位置。这无疑 说明树木具有某种反馈功能和自我调节的能力。
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树的枝桠
枝桠处的纹理
-
仿生学=生物结构+工程技术 生物结构+复合材料技术=
-
仿生复合材料
仿生复合材料（bionics composite ） 性质：参照生物材料的规律设计并制造的
-
复合材料的功能仿生
超疏水应用
料可 自 洁 的 涂
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复合材料的功能仿生
2.自修复功能仿生 在自然界中，生物材料在受到损伤后，
往往能自我修复，如，骨折的愈合，树 木的结痂愈合。 那么能不能研究出具有自愈性能的材料 呢？
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复合材料的功能仿生
英国工程与科学研究委员会的研究人员正 在开发一种特殊的复合材料，这种材料在 受到挤压或损坏时会“流出”树脂，有效 形成可修复受损处的“痂疤”。这项创新 可能会显著提高航空安全，同时激励技术 人员开发更轻型的飞机，将生物模仿 (biomimicry)技术引入航空领域。
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竹纤 维的 结合 方式
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仿生螺旋纤维增强材料
用仿生双螺旋玻璃纤维增强环氧树脂，所 得层合板具有较好的断裂韧性和抗扭强度。
采用螺旋碳纤维制成的复合材料具有高的 抗拉强度和冲击韧性。
-
结构仿生举例
鲨鱼皮微观结构
仿鲨鱼皮结构的泳衣
-
结构仿生举例
仿金恐龙鱼的未来盔甲 在未来战场上出现的士兵可
金恐龙鳗鱼
新概念鱼鳞式盔甲
-
复合材料的功能仿生
1.超疏水界面仿生 自然界中的超疏水
-
复合材料的功能仿生
（1）蝉翼不仅透明轻薄,而且其表面有非 常好的超疏水性和自清洁性。
蝉翼的厚度大约在8—10μm,而且蝉翼的上 下表面都是由规则排列的纳米柱状结构组 成的。这些纳米柱的直径大约在80 nm左右， 纳米柱之间的间距大约在180 nm左右。此 外，纳米柱的高度大约在200 nm左右