仿生智能材料

第一章绪论1、基本概念仿生学概念：人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。

人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。

对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。

生物材料：通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。

仿生材料（Bio-inspired）：受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。

材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。

智能材料：具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。

2、智能材料的特征具体地说，智能材料具备下列智能特性：(1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等；2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应；(3)具有对环境变化作出响应及执行的功能；(4)反应灵敏、恰当；(5)外部刺激条件消除后能迅速回复智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。

3、智能材料的构成智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。

基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。

敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化（温度、湿度、压力、pH值等）。

常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。

在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。

常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料等可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用4、智能材料的应用（1）用于航空、航天飞行器：例：采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。

（2）用于建筑、工程结构：例：可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。

（3）用于日常生活：例：通用汽车已经在进行将智能材料应用在其未来汽车产品中的研发工作。

这些非常“聪明”的材料能够随着温度、压力、磁场和电压等条件的不同变化，而相应改变自身的密度、硬度，甚至外形。

2、自然界生物材料的微观结构有什么共同的特点？第 2 章自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料1、几个基本概念接触角：固液界面的水平线与气液界面在三相交点O 的切线之间的夹角θ。

(沿气液界面做切线，该切线与固体间的夹角）滚动角概念及意义：概念：一定重量的液滴在一固体表面开始移动所需的临界倾斜角。

意义：结构色：依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生颜色。

光子晶体:指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响2、植物叶表面的自清洁性粗糙结构—荷叶效应荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um，单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组成，乳突之间的表面同样存在纳米结构。

在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。

另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。

由于微、纳米结构并存，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，水珠只与荷叶表面乳突的部分蜡质晶体绒毛相接触。

3、影响固体表面润湿性的主要因素有哪两个?表面自由能：恒温恒压下，液体或固体表面的分子与它们处于内部时相比所具有的自由能过剩值。

高能表面：每平方米几百至几千毫焦，如金属及其氧化物、硫化物、无机盐等低能表面：每平方米二十五至一百毫焦，如有机固体、聚合物等润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取代的过程。

固体的表面自由能越大，越易被一些液体所润湿。

如何构筑特殊浸润性表面？》仅通过表面化学组成很难获得大于120的接触角》有着阶层结构的表面能够使任何材料构成的表面变得不可润湿，即在亲水材料表面构筑阶层结构也可能得到疏水表面粗糙结构可使亲水表面更亲水，疏水表面更疏水。

4、蛋白石的颜色是怎样形成的？蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。

5、超亲水/超疏水智能响应性表面可能应用于哪些领域？例：在玻璃基底沉积TiO2薄膜,具有微纳米级的复合结构,表面含大量的乳状突起. 经辛基三甲氧基硅烷表面修饰后,静态接触角164度,滚动角4度例：具有浸润、变色双功能的“光开关”氧化钨薄膜采用电化学沉积制备纳米结构的氧化钨薄膜。

该薄膜交替地暴露在紫外光和黑暗中，有效地实现了光致变色和光诱导浸润/去浸润两种开关性质的有效结合。

第3 章智能高分子材料1、几个基本概念智能高分子材料：集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样具有智能属性的高分子材料。

形状记忆高分子：对通用高分子材料进行分子组合和改性，使它们在一定条件下，被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定（变形态）。

如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们便可逆地恢复至起始态。

这类具有形状记忆效应特性的高分子材料高分子凝胶：由于高分子化合物是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，但其亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀。

液体被高分子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝胶能象固体一样显示出一定的形状。

体积相转变（高分子凝胶的特点）：当外界条件发生微小变化时，凝胶体积会随之发生数倍或数十倍的变化，当达到并超过某临界区域时，甚至会发生不连续的突跃性可逆变化智能高分子凝胶：是一类受外界环境微小的物理和化学刺激如温度、光、电场等，其自身性质就会发生明显改变的交联聚合物2、高分子凝胶的特点及响应条件热响应性：能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相转变的凝胶。

电场响应：在电场刺激下，凝胶产生溶胀或收缩，并将电能转化为机械能。

磁场响应：在磁场刺激下，凝胶产生溶胀和收缩光响应：由于光辐射而发生凝胶溶胀或收缩。

3、形状记忆高分子的类型及应用根据实现记忆功能的条件不同，形状记忆高分子材料分为四种：热致SMP：在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。

广泛用于医疗卫生、体育运动、建筑、包装、汽车及科学实验等领域，如医用器械、泡沫塑料、座垫、光信息记录介质及报警器等。

电致SMP:是热致形状记忆功能高分子材料与具有导电性能物质（如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等）的复合材料。

该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高，致使形状回复，所以既具有导电性能，又具有良好的形状记忆功能主要用于电子通讯及仪器仪表等领域，如电子集束管、电磁屏蔽材料等。

光致SMP：是将某些特定的光致变色基团（PCG）引入高分子主链和侧链中，当受到紫外光照射时，PCG发生光异构化反应，使分子链的状态发生显著变化，材料在宏观上表现为光致形变；光照停止时，PCG发生可逆的光异构化反应，分子链的状态回复，材料也回复原状。

该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分子阀"和药物缓释剂等。

化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发材料变形的形状回复。

常见的化学感应方式有pH值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应和氧化还原反应等。

该材料用于蛋白质或酶的分离膜;“化学发动机"等特殊领域。

第4 章形状记忆材料1、几个基本概念形状记忆合金：Shape Memory Alloys，SMA是具有形状记忆效应的合金，在一定的外力作用下可以改变其形态(形状和体积)，但当温度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的形态。

形状记忆效应：将材料在一定条件下进行一定限度范围内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随即消失而回复到变形前的形状的现象单程记忆效应：合金在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热后可恢复变形前的形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，即通过温度的升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象。

全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应（只能在富Ni的Ti-Ni合金中出现）。

2、形状记忆合金与热致型形状记忆高分子材料、形状记忆陶瓷之间的性能比较（1）SMA的形变量低，一般在10%以下，而SMP较高，形状记忆聚氨酯高于400%；（2）SMP的形状恢复温度可通过化学方法调整，具体品种的形状记忆合金的形状恢复温度一般是固定的；（3）SMP的形状恢复应力一般比较低，约为10-30，而SMA高于1471MPa；（4）SMA的重复形变次数可达到104数量级，而SMP仅稍高于5000次，故其耐疲劳性不理想；（5）SMP仅有单程记忆功能。

（6）SMP的成本低。

3、形状记忆合金的类型及应用应用：已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。

目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。

（1）工程应用：形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。

另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。

（2）医学应用：利用Ti-Ni合金与生物体良好的相容性，可制造医学上的凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。

利用合金的超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用丝等。

(3)在宇航空间技术方面的应用：NiTi合金丝制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。