仿生材料研究综述
收稿日期：２０１５－０２－
１７。基金项目：辽宁省教育厅高等学校优秀人才项目（ＬＪＱ２０１１１１７）；辽宁省教育厅大学生创新创业训练计划（２０１４１０１６６０００００８）。作者简介：郭帅帅（１９８６－），男，山东潍坊人，沈阳师范大学硕士研究生；通信作者：封文江（１９７４－）
，男，河北石家庄人，沈阳师范大学副教授，博士，硕士研究生导师。
第３３卷 第２期
２ ０ １ ５年 ４月沈阳师范大学学报（自然科学版）Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（
Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２Ａｐｒ．２ ０ １ ５文章编号：１６７３－５８６２（２０１５）０２－０１６０－
０４仿生材料研究综述
郭帅帅，封文江，朱 影，何江海，徐雅辉，亓雨生，杨奥新
（沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳 １１００３４
）摘 要：生物与环境长期相互作用下形成了优异的功能与完美的结构，新型材料的发展对于
推动社会进步的重要性不言而喻。仿生科学作为新型结构功能材料的研发新思路得到突破性发
展。从一些天然材料的复合结构和优异功能出发，介绍了仿生材料的特点及其研究领域的一些成
果。天然复合材料优良的力学性能，与材料的微观结构有显著直接关系。以天然材料作为设计思
维的来源制作出高性能仿生材料，
主要包括结构仿生材料与功能仿生材料，已经被应用于社会生产的多个领域。随着科技发展，计算机模拟作为一种高效、经济环保的设计方式，对于仿生材料发
展有极大地推进作用。
关 键 词：材料仿生；计算模拟；结构功能
中图分类号：ＴＢ３０３ 文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１６７３－５８６２．２０１５．０２．００７０ 引 言
新型材料的研发一直是活跃的研究领域。自然界是人类利用材料、设计材料及发明创造的源泉，二十世纪六七十年代，仿生学的概念被正式提出，当时仿生材料的研究处于起步阶段，研发的成果稀少，进
展缓慢。如今仿生材料学已经发展成为一门覆盖信息科学、
材料科学、结构力学、工程设计等的交叉学科，研究的领域还在不断扩大，涉及的学科也会越来越多。功能结构良好的天然材料，具有不同尺度的
分级结构，根据ＸＲＤ衍射及ＳＥＭ图样发现多数天然材料的结构特点是成分简单，
结构复杂，却具有特殊的性能。因此，日益受到科学家的重视，希望根据这一特点，设计并制备出高性能的功能结构复合材料。１ 研究背景
生物经过长时间的动力学自组装过程，各个组分之间按照最佳的结构和组合方式组装，最终形成特有的复合结构，来适应复杂多变的环境要求。某种意义上来说自组装产物的缺陷程度最低，结构和功能
达到了理想状态［１］。科学家已经从纳米层面系统的分析与研究生物体外形、结构、力学功能，可以作为
工程设计的依据，为仿生设计出高性能材料提供理论支撑。自从２０世纪末开始，
国内外投入很大的人力物力从事仿生工作，
并且取得了许多重要成果：如仿生自然叶片蒸腾作用的热效应［２］、仿生离子通道［３］、仿生分子及细胞传感器［４］、仿生耦合聚晶金刚石钻头［５］、仿生动物消化系统的反应器［６］等。如今，已经有许多仿生结构材料应用于医学修复、传感器及量子器件等多个领域。
２ 研究现状
２．１ 力学功能仿生
天然纤维是性能优良的材料，也是人们经常接触的天然材料。蛛丝作为纤维材料，它的结构和功能
较早的被人们研究并仿生成功。２０世纪末，
美国生物学家安妮穆尔发现“黑寡妇”的蜘蛛丝，而且蛛丝有很高的断裂强度。后来，加拿大科学家通过山羊产出的蛛丝蛋白制作出可降解的“生物钢”，其强度是
钢的十倍，用蛛丝纤维制作的布料，其强度是防弹衣的十几倍［７］。正是纤维的这些优异特点，在当时吸
引了大量的科学家不断地对其进行研究。
通过对天然纤维形态结构的研究发现，纤维素为线型高聚物，它的大分子之间不仅有范德华力的相
互作用，
还有使分子平型排列、紧密结合的氢键的作用。纤维素分子之间排列整齐紧密程度与纤维的强度呈线性关系。从表１可以看出这几种天然纤维虽然密度比较小，但是都具有较高的比强度和拉伸模量［８］。如今，人工制作的Ｅ－玻璃纤维比强度达到８００～１ ４００ＭＰａ·ｃｍ３／ｇ，
拉伸强度则达到２ ０００～３
５００ＭＰａ。表１ 几种天然纤维力学性能
天然纤维
拉伸强度／ＭＰａ拉伸模量／ＧＰａ密度／（ｇ·ｃｍ－３）亚麻
３４５～１ ０３５ ２７．６ １．４９剑麻
５１１～６３５ ９．４～２２ １．２６苎麻４００～９３８ ６１．４～１２８ １．５４
２．２ 力学结构仿生
天然复合结构的仿生设计是研究热点之一，复合结构材料的优异性能往往超越单一结构材料。其
中贝壳的珍珠层是由片状文石交错排列成层，
单个文石之间用有机质填充（图１）。贝壳的断裂方向垂直于片状文石层时，有机体起到了缓冲减压的作用，增大了文石层间的相互作用力，拔出文石晶片所做的功得到提高，导致部分沿文石片边缘断裂变为穿过文石片断裂，并改变应力的单一方向，产生多方向
的转变，应力的不断偏转改变使裂纹路径增加，阻力相应增大［９］。因此，贝壳的这一复合结构使其具有
了优异的力学性能，贝壳的韧性是文石的１ ０００倍，硬度是文石的２倍，是普通碳酸钙材料的３
０００倍［１０］。Ｓｔｕｄａｒｔ［１
１－１２］研究小组将柔性生物高聚糖与具有高强度的陶瓷板相互交错成层得到优异力学性能的仿贝壳状复合材料。人们根据这一交错结构特点，用ＳｉＣ作单晶片，
用石墨作基体，烧结成类似贝壳结构的复合材料，经实验测得，其断裂功提高了２个数量级。根据这一结构制作出的芳伦纤维增强树
脂，其断裂功比单相提高了８０倍［１
３］。图１ 文石晶体层横截面示意图
２．３ 仿生多孔材料
多孔材料具有比强度高、比面积高、密度小等特点，可以通过水热合成、压缩烧结等方法制作而成。天然多孔材料孔道结构的排列及规则程度差异很大。海胆刺是一种多孔材料（图２），孔径大小为３０～
５０μｍ，
孔道为无序结构。生物的这种孔道结构与物质的传输有关联，海胆的这种三维多孔结构能减轻自身的重量，并且具有优良的力学功能。海胆是生存４．５亿年的古老生物，
分布十分广泛，从海岸边甚至５
０００ｍ的深海，能抗击巨大海水的能量［１４］。实验表明，多孔材料具有分离、传感、缓冲减震、隔热、吸图２ 海胆刺的结构形貌
１６１ 第２期 郭帅帅，等：仿生材料研究综述
收能量的优异性能，用陶瓷制作成的多孔人工骨还具促进组织生长的功能。如今，一些多孔金属及陶瓷材料相继被研发出来，并且不断进行结构与功能的研究改进，以求合成更高性能的复合材料。其中用钛及其合金作为原材料仿生制作的人工骨骼、牙齿等在医学领域已经广泛应用，用无机非金属材料制作的多孔玻璃及泡沫塑料在航天航空方面得到广泛应用。
２．４ 仿生太阳能电池
众所周知，植物的叶绿体能通过光合作用将太阳能转化为化学能。美国普渡大学科学家利用纳米
碳管和ＤＮＡ等材料，
仿生研制出具有自我修复能力的太阳能电池，这种电池中被破坏的染料可以不断得到更新，
具有自我修复的能力，从而使用的年限大幅提高［１５］。我国科学家根据叶绿体的功能研制出新型的染料敏化太阳能电池，能直接将１１％的太阳能转化成电能，
成本较低，使用寿命较长［１６］。而且随着环保意识的增强，
有很强的市场竞争力，基于这些优点，今后将有更多的仿生太阳能电池被研发。２．５ 仿生传感器
仿生传感器的研发一直是研究热点，研究的范围越来越广泛，有视觉传感器、嗅觉传感器、触觉传感器［
１７］等。我国科学家用纳米材料制作出仿生电子皮肤［１８］，原理是将灵敏度高的导电纳米材料与微纳米结构柔性基底有效结合，导电材料在受到微小压力时能发生电信号的变化，把压力转换成可以识别的信号。这种仿生触觉传感的电子皮肤，能准确感知并获取微小压力变化的人体电流信号，对人体的生理状态进行及时检测，之后进行“逻辑思考”并相应调节控制。
３ 计算机仿生模拟
计算机模拟、高分辨率Ｘ射线成像技术［１９］、云计算、３Ｄ打印等技术的发展为仿生材料科学的研究
提供技术保障。先进的科学仪器可以从纳米级清晰观察研究材料微观结构，
分析成分组成，测试相关性能。利用计算机进行有机质的组装、结构动力学等仿生模拟分析。Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ等［２０］对于脂类分子
与ＤＮＡ之间的作用关系，采用了分子动力学方法对其模拟研究；Ｆｒａｎｋ等［２
１］用分子动力学方法对枝状配糖物聚集体进行了模拟，
结果显示末端糖单元类型及桥联基团会对聚集体构象有很大影响；刘泽军等［２２］成功对生物体表面非光滑形态进行了计算机模拟，为制作光滑形态试样提供了数学模型；谷云庆等［
２３］利用计算机模拟鲨鱼腮喷射流的减阻作用，得出仿鲨鱼腮部射流可以增厚出口下游的黏性底层，降低边界层流体的速度梯度，有效减小壁面剪应力。通过计算机模拟能清晰描述新型材料结构与自组
装的机理，
对材料进行定量分析并能从理论上对材料结构进行调整，观察材料结构功能的变化趋势，通过调整参数，拓扑结构优化，增强材料的性能，减少了实际模型研究的重复性，缩短了材料研发周期，提高了材料的设计制作效率。随着计算机的发展，模拟的范围不断扩大，从纳米级的凝聚态物质到宏观材料都可以进行模拟，为材料的发展提供了一条崭新的路径，拓展我们对材料的认识领域。
４ 结论与展望
材料作为当前新技术革命的支柱产业，受到世界各个国家的重视，仿生结构及其功能材料是材料科学的重要组成部分，尤其是仿生高性能材料研发极大地促进材料科学的发展。由最初的普通结构设计向微观化方向发展，由低维度向高维度发展，利用先进的科学设备进行模拟、构造、重组新型功能、环保、智能一体化材料将是当前及以后的研究重点，并将对于医学、军事、工业设计等领域的快速发展有积极推进作用。
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３卷
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１１００３４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｉｏｌｏｇｙ
ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒｍｓ ｐｅｒｆｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ａｓ ｉｓ ｋｎｏｗｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ
ｓｏｃｉａｌ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂｉｏｎｉｃ ａｓ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｉｄｅａｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ．Ｆｒｏｍ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐ
ｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐ
ｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅｆｉｅｌｄ ｏｆ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐ
ｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｄｉｒｅｃｔｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔａｋｉｎｇ
ｎａｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｓ ａ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｉｎｋｉｎｇ，ｐｒｏｄｕｃｉｎｇｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｓｏｃｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｅｓ ａｓ ａ ｗａｙ
ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｄｅｓｉｇｎ ａｐｐｒｏａｃｈ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｒｅａｔｌｙ
ｆａｃｉｌｉｔａｔｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ３
６１ 第２期 郭帅帅，等：仿生材料研究综述
智能材料及其发展
智能材料及其发展 1.材料的发展 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或者其他产品的物质，是人类生活、生产的基础，是人类认识自然和改造自然的工具，与信息、能源并列为人类赖以生存、现代文明赖以发展的三大支柱。材料也是人类进化的标志之一，一种新材料的出现必将促进人类文明的发展和科技的进步，从人类出现，经历旧石器时代、新石器时代、青铜时代……，一直到21世纪，材料及材料科学的发展一直伴随着人类的文明的进步。在人类文明的进程中，材料大致经历了一下五个发展阶段。 1）利用纯天然材料的初级阶段：在远古时代人类只能利用纯天然材料（如石头、草木、野兽毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所说的旧石器时代。这一阶段人类只能对纯天然材料进行简单加工。 2）单纯利用火制造材料阶段：这一阶段跨越了新石器时代、青铜时代和铁器时代，它们风别已三大人造材料为象征，即陶、铜、铁。这一时期人类利用火来进行烧结、冶炼和加工，如利用天然陶土烧制陶、瓷、砖、瓦以及后来的玻璃、水泥等，从天然矿石中提炼铜、铁等金属。 3）利用物理和化学原理合成材料阶段：20世纪初，随着科学的发展和各种检测手段及仪器的出现，人类开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，并以凝聚态物理、晶体物理、固体物理为基础研究材料组成、结构和性能之间的关系，并出现了材料科学。这一时期，人类利用一系列物理、化学原理、现象来创造新材料，这一时期出现的合成高分子材料与已有的金属材料、陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除此之外，人类还合成了一系列的合金材料和无机非金属材料，如超导材料、光纤材料、半导体材料等。 4）材料的复合化阶段：这一阶段以20世纪50年代金属陶瓷的出现为开端，人类开始使用新的物理、化学技术，根据需要制备出性能独特的材料。玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是这一阶段的杰出代表，它们都是为了适应高科技的发展和提高人类文明进步而产生的。 5）材料的智能化阶段：自然界的材料都具有自适应、自诊断、自修复的功能。如所有的动物和植物都能在没有受到毁灭性打击的情况下进行自诊断和修复。受大自然的启发，近三四十年的研发，一些人工材料已经具备了其中的部分功能，即我们所说的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等。但是从严格意义上将，目前研制成功的智能材料离理想的智能材料还有一定的距离。 材料科学的发展主要集中在以下几个方面：超纯化（从天然材料到复合材料）、量子化
耐磨材料的现状及未来发展趋势
耐磨材料的发展现状及未来发展趋势 正因为这些由本征特性TC、HC2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高TC超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。 能源材料太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40％。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50％用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。 生态环境材料生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOX、NOX催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。 智能材料智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的耐磨材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。 2、国内耐磨材料发展的现状和差距 我国非常重视耐磨材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，耐磨材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中还将特种耐磨材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在耐磨材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土耐磨材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等耐磨材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢
智能材料的研究现状与未来发展趋势
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/8b15378919.html, 智能材料的研究现状与未来发展趋势 作者：邓焕 来源：《科学与财富》2017年第36期 摘要：智能材料这一概念在上世纪80年代首次被提出，近年来，关于智能材料在航空航天领域的研究与应用被频繁提及。由于智能材料具备着结构整体性强、可塑性高、功能多样化等优点，因此在航空航天领域得到了广泛的研究与使用，首先根据功能性的不同对智能材料进行了系统的分类与概述，然后对当前智能材料在航空航天领域的主要应用进行了系统性的分析与总结，最后对智能材料在未来的航空航天的应用前景中进行了进一步地展望。 关键词：智能材料；复合材料；航空航天；功能多样化 1 引言 进入二十一世纪以来，全球各大航空航天强国在航天航空领域投入了大量的研发资金，而作为航空航天领域重要环节的航天材料，近年来也不断有着新的突破，而其中被提及最多的就是智能材料在航空航天领域的应用。在智能材料的范畴中，智能复合材料最具有代表性，智能复合材料主要具备着：外界环境感知功能；判断决策功能；自我反馈功能；执行功能等。此外，由于当前智能复合材料都向着轻量化、低成本化的方向发展，因此在航天领域复合材料的设计结构以及使用用途上都有着不同的侧重发展方向。而近年来国内外各国也均加快了各自在该领域的研发使用发展进度，主要的研究大方向还是集中在了智能检测、结构稳定性、低成本化等方向上，本文着重对相关部分进行系统性的概述与总结。 2 航空航天领域智能复合材料的功能介绍 在航空航天领域中，国内外普遍利用智能复合材料以实现在降低航空航天飞行器的自身重量的前提下保证系统结构的稳定性，其次根据复合智能材料具备智能检测自身系统内部工作状态和自愈合等功能实现航空航天材料在微电子与智能应用方向的交叉发展。 2.1 智能复合材料在航天结构检测方向的应用 智能复合材料在航空航天器中的应用，主要是通过将传感器以嵌入的方式与原始预浸料铺层以及湿片铺层等智能复合材料紧密键合，最终集成在控制芯片控制器上实现对整个系统的实时监控诊测、自我修复等供能，值得注意的是，在这一过程中，智能化不仅仅是符合材料的必要功能，复合材料在很大程度上可以有效承受比传统应用材料更大外界机械压力[1]。 除此之外，由于智能复合材料作为传感器的铺放衬底，因此智能复合材料还可以实现对整个材料内部结构的状况进行收集并且将出现的诸如温度异常、结构异常、表面裂痕等隐患及时反馈至中央处理器，这在一定程度上可以有效实现整个系统内部的检测与寿命预测，在这方面的技术上，美国的Acellent公司研发的缠绕型复合材料以压力感应的形式，按照矩形布线形式
仿生材料研究的设想及其应用
仿生材料 仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为人类做出更大的贡献。 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成,例如能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压,足以电死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,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。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。 例1.人造纤维 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些丝纯粹是由蛋白质构成,特别是蚕丝,具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法,此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维,例如,牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺) ,商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成) 等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所) ,并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学) ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。 例2.人鱼传说 在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气中的氧气,水里的鱼有鳃,能够分离溶解
仿生结构及其功能材料研究发展
仿生结构及其功能材料研究进展 摘要本文结合作者课题组的相关工作, 就多种仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势. 关键词仿生合成结构材料功能材料智能材料浸润性离子通道 1.光子晶体材料 光子晶体，这是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩.模仿蛋白石的微观结构，可以合成人工蛋白石结构的光子晶体. 矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微/纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用. 2.仿生空心结构材料 自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构, 例如: 许多植物的茎都是中空的多通道微米管, 这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料; 为减轻重量以及保温, 鸟类的羽毛也具有多通道管状结构; 许多极地动物的皮毛具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构, 使其具有卓越的隔热性能. 3.仿生离子通道材料 生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式. 被动运输的通路称为离子通道, 主动运输的离子载体称为离子泵. 离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质, 广泛存在于各种细胞膜上, 具有选择透过性. 生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用, 如生物能量转换, 神经细胞膜电位的调控, 细胞间的通信和信号传导等[26]. 纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近, 利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体, 在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子、生物分子和小分子进行检测和分离, 甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能, 已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点. 4.仿生超强韧纤维材料 天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性, 因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景. 随着蜘蛛丝微观结构与性能关系的进一步揭示, 利用不同的合成技术, 国内外许多课题组已成功制备了多种仿蜘蛛丝超强韧纤维材料. 纳米碳管作为一维纳米材料, 重量轻, 具有良好的力学、电学和化学性能, 这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证. 研究发现, 自然界某些生物体中(如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等)含有极为少量的金属元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等), 以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能. 受此启发, 采用改进的原子层沉积处理技术,提高天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力, 增强蜘蛛丝的韧性. 该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料, 包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义. 5.仿生特殊浸润性表面 自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能, 如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性; 昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等. 通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一.
聚合物基自润滑材料的研究现状和进展
聚合物基自润滑材料的研究现状和进展 由于聚合物本身具有较低的摩擦系数,优良的机械性能及耐腐蚀性等优点,其基自润滑复合材料具有非常优异的摩擦磨损性能,正在被广泛的应用到减摩领域。本文综述了聚醚醚酮、聚四氟乙烯及聚酰亚胺等几种高聚物的摩擦磨损特点及其应用,聚合物基自润滑复合材料发展现状。指出目前聚合物基高性能自润滑材料的制备途径主要是通过聚合物与聚合物共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度,通过添加各类固体自润滑剂来提高摩擦性能,有效提高其综合性能。聚合物基自润滑材料可取代传统金属材料,成为全新的一类耐摩擦磨损材料。 论文关键词:高聚物,复合材料,自润滑材料,摩擦,磨损 1、聚醚醚酮(PEEK) 1.1 聚醚醚酮(PEEK)的特点 聚醚醚酮(PEEK)是一种高性能热塑性高聚物,具有良好机械性能、抗化学腐蚀性和抗辐射性,显着的热稳定性和耐磨性。它可以在无润滑、低速高载下或在液体、固体粉尘污染等 收稿日期: 修订日期: 作者简介:刘良震(1980-),男,助理讲师, E-mail:ldcllfz@https://www.360docs.net/doc/8b15378919.html, 恶劣环境下使用。因而关于聚醚醚酮及其复合材料的研究越来越受到人们重视。聚醚醚酮是一种半晶态热塑性聚合物,为了改善其机械性能,尤其是摩擦学性能,常在其中添加聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)和碳纤维(FC)等材料,也可添加颗粒增强型材料或进行特种表面处理等离子体处理等。当聚醚醚酮及其复合材料与金属材料相互对磨时,通常在金属表面形成聚合物转移膜,其结构、成分均与原有的聚合物及复合材料不同,其性能、厚度及连续程度均对摩擦副的摩擦学性能有重大影响[4]。 1.2 对聚醚醚酮(PEEK)摩擦性能的研究 章明秋等人[5,6]对聚醚醚酮(PEEK)在无润滑滑动条件下磨损产生的磨屑的形态进行研究,结果表明,聚醚醚酮(PEEK)的磨屑具有分形特征,其分形维数与载荷的关系对应于磨损率与载荷的关系,能够反映聚醚醚酮(PEEK)磨损机制的变化。在给定的试验条件下,随着载荷的增大,聚醚醚酮(PEEK)的磨损机制从粘着磨损为主伴随着疲劳-剥层磨损,进而转变为热塑性流动磨损。 张人佶等[7,8]利用扫描电镜、扫描微分量热仪、红外光谱仪、俄歇电子谱仪等分析手段系统的研究了聚醚醚酮(PEEK)及其复合材料的滑动转移膜,结果表明:纯聚醚醚酮(PEEK)在滑动摩擦过程中形成不连续的转移膜。聚四氟乙烯(PTFE)的光滑分子结构有助于使转移膜更光滑,固体润滑效果也更好。在PEEK/FC30中,不仅加入PTFE,而且加入具有层状
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。可见蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和控制，因此将会作为功能材料和结构材料得到应用。目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场[8]。 据统计，被详细研究过的生物材料迄今已超过一千多种，涉及到材料学科的各个领域，在医学临床上应用的就有几十种。用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料被称为生物医学材料〈Biomedical Materials〉[9]。根据材料的生物性能，可分为生物惰性材料(Bioinert Materials)与生物活性材料(Bioactive Materials)两大类。前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应，后者则能诱发出特殊生物反应，导致组织和材料之间形成键接，或提高细胞活性、促进新组织再生。根据材料的组成又可分为：生物医学金属材料(Biomedical Metallic Materials)，生物医学高分子材料（Biomedical Polymer），生物陶瓷（Biomedical Ceramics），生物医学复合材料（Biomedical Composites），生物衍生材料(Biologically Derived Materials)等。生物医学材料要直接与生物系统结合，除应满足各种生物功能和理化性能要求外，还必须具有与生物体的组织相容性，即不对生物体产生明显的有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身的效能和使用寿命。医学临床对所
仿生机器人的研究现状及其发展方向
第36卷第6期 上海师范大学学报(自然科学版)Vol.36,No.6 2007年12月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)2007,Dec. 仿生机器人的研究现状及其发展方向 王丽慧,周 华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘 要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注.主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望. 关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向 中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100025137(2007)0620058205 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作.1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员. 1 仿生机器人的基本概念 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人.仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类.仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 2 仿生机器人的国内外研究现状 2.1 水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105k m/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h.所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到70%～ 收稿日期:2007209222 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200733). 作者简介:王丽慧(1972-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
仿生材料研究与进展 王一安 刘志刚
齐齐哈尔大学 综合实践课程论文 题目仿生材料研究进展 学院材料科学与工程学院 专业班级无机非金属材料工程无机112班 学生姓名王一安刘志刚 指导教师李晓生 成绩 2014年 5月9 日
仿生材料学研究进展 摘要：仿生材料学以阐明生物体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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety. Keywords:Bionics,Materialsscience,Review 1.前言 仿生材料学以阐明生物体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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。
纳米氧化物材料研究的现状及进展
纳米氧化物材料研究的现状及进展 发表时间：2018-11-27T16:11:48.977Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第21期作者：邵琪 [导读] 并作了一定的评价，介绍了一些较新的纳米氧化物制备方法。从纳米材料合成和制备的角度出发，较系统的阐述了纳米材料合成与制备的最新研究进展，并介绍了纳米材料在高科技领域中的应用展望。 邵琪 山东建筑大学土木工程学院山东济南 250101 摘要：综述了近10 年来纳米氧化物的发展情况及各种制备方法及特点，并作了一定的评价，介绍了一些较新的纳米氧化物制备方法。从纳米材料合成和制备的角度出发，较系统的阐述了纳米材料合成与制备的最新研究进展，并介绍了纳米材料在高科技领域中的应用展望。 关键字：纳米材料；氧化物 前言：纳米材料和纳米结构是当今新材料研究域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。 1 纳米材料的特性 纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。例如，金属材料的屈服强度和硬度随着晶粒尺寸的减小而提高，同时也不牺牲其塑性和韧性。 纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响，如它的红外吸收谱频带展宽，吸收谱中的精细结构消失，中红外有很强的光吸收能力。 2 纳米氧化物材料的制备方法 纳米微粒(膜)的制备方法包括物理方法、化学方法、膜模拟法等.物理制备方法主要涉及蒸发熔融，凝固形变和粒径缩减等。物理变化过程，具体包括粉碎法、蒸发凝聚法、离子溅射法、冷冻干燥法、电火花放电法、爆炸烧结法等。化学制备纳米微粒(膜)的过程通常包含着基本的化学反应，在反应过程中物质之间的原子组织排列，这种组织排列决定物质的存在形态。化学方法主要有化学反应法、沉淀法、水热合成法、喷雾热解法、溶胶-凝胶法、γ射线辐射法、相转移法等。 2.1 物理制备法 2.1.1 真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。 2.1.2 物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 2.1.3高能机械球磨法 高能机械球磨法是近年来发展起来的制备纳米材料的一种新的方法，1988 年，日本京都大学导了用该方法制备出了 Al -Fe纳米晶材料。高能机械球磨法是利用球磨机的转动或震动使硬球对原料进行强烈的撞击，研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎成纳米微粒的方法。目前，采用该方法已成功的制备出了纳米晶纯金属（Fe ， Nb ， W ， Hf ， Zr ， Co ， Cr 等)；不相溶体系的固溶体（Cu -Ta ，Cu -W ，Al -Fe 等)；纳米金属间化合物（Fe -B ， Ti -Al ，Ni -Si ， W -C 等)；纳米金属陶瓷粉等材料。 2.2 膜模拟法 吴庆生等人利用绿豆芽通过生物膜法合成纳CdS[1]。用这种方法制备纳米物质仅仅是个尝试，在现有的试验条件下对它的合成机理还没有做出合理的解释，且与大规模生产还有一定距离。 2.3 化学方法 2.3.1 共沉淀法 共沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物纳米颗粒最早采用的方法。赵辉等人在研究 PbO - Nb2O5 -KOH -H2O 体系中[2]，发现采用共沉淀法可直接从水溶液中合成 Pb3Nb2O8 纳米粉。这种合成方法虽成本较低，但仍存在一些缺点，如沉淀通常为胶状物，水洗、过滤较困难；沉淀剂作为杂质易混入；沉淀过程中各种成分可能发生偏析，水洗时部分沉淀物发生溶解。 2.3.2 分步-均一沉淀法 分步-均一沉淀是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来。因此，加入的沉淀剂并不直接与被沉淀组分发生反应，而是通过化学反应让沉淀剂在整个溶液中均匀地、缓慢地析出，让沉淀物均匀地生成。以尿素为沉淀剂制备粒径为40 nm 锐钛矿型二氧化钛超细粒子，并在其表面包覆晶体粒径为10.2 nm 的氧化锌。 2.3.3 溶胶-凝胶法 将金属醇盐或无机盐类经水解形式或者解凝形式形成溶胶物质，然后使溶质聚合胶凝化，经过凝胶干燥，还原焙烧等过程可以得到氧化物，金属单质等纳米材料，这样的方法称之为溶胶凝胶法。法具有所需反应温度低，化学均匀性好，产物纯度高，颗粒细小，粒度分步窄等特点，但是采用金属醇盐作为原料成本高，排放物对环境有污染。溶胶凝胶法制备纳米粉体的工作开始于20 世纪 60 年代：可以制备一系列纳米氧化物，复合氧化物，金属单质及金属薄膜等。 2.3.4 有机配合物前躯体法 有机配合物前躯体法是另一类重要的氧化物纳米晶的制备方法。其原理是采用容易通过热分解取出的多齿配合物，如柠檬酸为分散剂，通过配合物与金属离子的配合作用得到高度分散的复合物前躯体，最后再通过热分解的方法去除有机配合体得到纳米复合氧化物。 2.3.5 等离子增强化学气相沉淀（PECVD）法 该方法等离子增强化学气相沉淀系统中，用高倍稀释硅烷和高倍稀释的掺杂气体（主要是磷烷和硼烷）作为反应气体，在射频和直流双重功率源作用下制备出掺杂纳米硅薄膜（nc-Si:H），并利用高分辨电子显微镜（HREM）、Raman 散射、X射线衍射（XRD）、俄歇电
仿生学现状及其对科技发展的影响
2009 年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:机械工程专题讲座 学生所在院（系）:机电工程学院 学生所在学科:机械设计及理论 学生姓名:李鹏飞 学号:08S008257 学生类别: 考核结果阅卷人
仿生学现状及其对科技发展的影响 仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)取自拉丁文“bios“(生命方式)和词尾“nic“(具有……性质的)合成的。仿生学可以这样定义：研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生学（Bionics）是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科，具有鲜明的创新性和应用性。仿生学的目的是研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成。人类进化过程中，通过不断地模仿自然，提升生产能力。仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。例如：模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造舟楫，模仿飞鸟发明飞机……。1960年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年召开了全美第一届仿生学讨论会。这标志着现代仿生学的开始。 仿生学具有自己独特的研究方法：一般来讲，工程和生产实践提出技术问题，有针对性地借鉴某种生物体的某些结构的功能，研究并简化其结构、功能和调控机制，择其有用制备出物理模型，建立数学模型。在有用和可用的前提下，采用技术手段，依据数学模型，制备实物模型，最终实现对生物系统的工程模拟。仿生学的发展依赖于生物学和工程技术科学的发展；仿生学的发展也促进了生物学科和工程技术的发展。 现状 仿生学的研究和应用在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。为迎接全球性竞争和挑战，我国科技专家和决策者在2003年召开了两届香山会议，第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用和第220届“仿生学的科学意义与前沿”。国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。科学家们正带着自动控制、能量转换信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。早期的机器人主要是模拟人的重复性劳
国内外公路研究现状与发展趋势
第1章绪论 1.1我国公路现状 交通运输业是国民经济中从事运送货物和旅客的社会生产部门，是国民经济和社会发展的动脉，是经济社会发展的基础行业、先行产业。交通运输主要包括铁路、公路、水运、航空、管道五种运输方式，其中，铁路、水运、航空、管道起着“线”的作用，公路则起着“面”的作用，各种运输方式之间通过公路路网联结起来，形成四通八达、遍布城乡的运输网络。改革开放以来，灵活、快捷的公路运输发展迅速，目前，在综合运输体系中，公路运输客运量、货运量所占比重分别达90％以上和近80％。高速公路是经济发展的必然产物，在交通运输业中有着举足轻重的地位。在设计和建设上，高速公路采取限制出入、分向分车道行驶、汽车专用、全封闭、全立交等较高的技术标准和完善的交通基础设施，为汽车快速、安全、经济、舒适运行创造了条件。与普通公路相比，高速公路具有行车速度快、通行能力大、运输成本低、行车安全、舒适等突出优势，其行车速度比普通公路高出50％以上，通行能力提高了2~6倍,并可降低30％以上的燃油消耗、减少1/3的汽车尾气排放、降低1/3的交通事故率。 新中国成立以来，经过60多年的建设，公路建设有了长足发展。2011年初正值“十一五”规划结束，“十二五”规划伊始。“十一五”时期是我国公路交通发展速度最快、发展质量最好、服务水平提升最为显著的时期。经过4年多的发展，公路交通运输紧张状况已实现总体缓解，基础设施规模迅速扩大，运输服务水平稳步提升，安全保障能力明显增强，为应对国际金融危机、保持经济平稳较快发展、加快经济发展方式转变、促进城乡区域协调发展、保障社会和谐稳定、进一步提高我国的综合国力和国际竞争力作出了重要贡献。 “十一五”前4年，全国累计完成公路建设投资2.93万亿元，年均增长近16％，约为“十一五”预计总投资的1.2倍，也超过了“九五”和“十五”的投资总和。公路建设投资的快速增长，极大地拉动和促进了国民经济的迅猛发展。从公路建设投资占同期全社会固定资产总投资的比重来看，“十一五”期间基本保持在4.5％左右。 在投资带动下，公路网规模不断扩大，截至2009年底，全国公路网总里程达到386万公里，其中高速公路6.51万公里，二级及以上公路42.52万公里，分别较"十五"末增加36.4万公里、2.5万公里和9.4万公里；全国公路网密度由“十五”末的每百平方公里34.8公里提升至40.2公里。预计到2010年底，全国公路网总里程将达到395万公里，高速公路超过7万公里，分别较“十五”末增加45.3万公里与3万公里。农村公路投资规模年均增长30%，总里程将达到345万公里，实现全国96%的乡镇通沥青（水泥）路。 “十一五”期间公路的快速发展，为扩大内需、拉动经济增长作出了突出贡献。特别是2008年以来，为应对国际金融危机，以高速公路为重点，建设步伐进一步加快，“十一五”末高速公路里程将达到"十五"末的1.78倍。“十一五”期间全社会高速公路建设累计投资达2万亿元，直接拉动GDP增长约3万亿元，拉动相关行业产出
仿生材料学
仿生材料学 自然界中的动植物经过45亿年物竞天择的优化，其结构与功能已达到近乎完美的程度。由于仿生材料的优良特性，在世界各地各个领域得到了广泛的应用。所以，如何以材料的观点研究生物材料的结构和功能特点，并且用以设计和制造先进的复合材料是当前国际上材料研究的一大热点。 仿生材料是指模仿生物的各个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。而仿生材料的设计不仅要模拟生物对象的结构，更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合，对于推动材料科学的发展有重大意义。 如今仿生材料的应用非常广泛。在医学、能源、建筑、军事等领域都有应用。可以说，仿生学已经融入到我们的生活中了。就拿我们材料成型专业来说，对于汽车外壳的设计就要用到仿生学，通过模仿鸟的流线体型可以达到减小阻力的目的，这样设计出来的车子能够跑得更快，耗能更少。受自然界荷叶效应的启发，通过在漆膜表面喷砂，植入纳米二氧化硅低表面能氟修饰获得了表面均匀程度良好的超疏水表面，这种表面很好的起到了荷叶“出淤泥而不染”的特性，有着很好的防水性能和清洁性能。现在的高强度材料就是运用了仿生学的原理，模仿蜂房的形状，做出的材料结构不仅强度高，塑性也非常好，有些仿生材料的强度甚至比钢铁还强几百倍。蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片，这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时，鳞片自动张开，以减少阳光的辐射角度，从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把体温控制在正常范围之内。科学家经过研究，为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。这些都是材料仿生的应用，可以说材料仿生学小到普通人的生活，大到宇宙开发探索都起着重要的推动作用。 大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学——和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一，共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构。因此，要学会师法自然的仿生性设计思维，创造人、自然、机器和谐共生的对话平台。仿生设计的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用科技领域。 重视并创新仿生学，是提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。仿生学将为我国科学技术创新提供新思路、新原理和新理论。为适应我国科学和技术源头创新的需要，进一步推动我国经济和社会实现跨越式发展，我们材料学者应以积极主动的姿态学习世界前沿的科学知识，开发出更有前景、更有科技含量的仿生材料。
仿生材料学研究进展
仿生材料学研究进展 摘要：本文介绍了可降解塑料的研究进展，论述了仿生材料学研究进展及其种类，重点介绍了当前研究热点：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料… 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 1.引言 仿生材料学以阐明生物体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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 2.仿生材料 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成.动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就是仿生材料.
2.1表面仿生超疏水材料 自然界中的超疏水现象近年来，基于仿生科学而进行的各种新型材料的开发和研究正在各个领域广泛开展，人们对于超疏水表面的研究就是受到荷叶“出淤泥而不染”这种现象的启发而不断发展起来的。固体表面的润湿性可以用表面和水的接触角来衡量，通常将接触角小于900的固体表面称为亲水表面，接触角大于900的表面称为疏水表面，而将接触角大于150。的表面称为超疏水表面llI。自然界中，水滴在荷叶表面上可以自由滚动，当水滴滚动时可以将附着在表面上的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁。因此，超疏水表面 又被称为自清洁表面。20世纪90年代，德国波恩大学的植物学家Wilhelm Barthlott针对荷叶表面不沾水这一特殊现象进行了一系列的实验，发现了荷叶的疏水性与自我洁净的关系，创建了“荷叶效应”(Lotus effect)--i百-Jt21。此后，超疏水表面在世界范围内引起了极大的关注，并且逐渐成为仿生纳米材料技术中的热点之一。这种表面在国防、工农业生产和日常生活等许多领域都有着极其重要的应用前景。例如，将其应用在高降雪地区的室外天线上，可以防止积雪，以保证信号畅通13J：用于石油管道中，可以防止石油对管道壁粘附；作为汽车、飞机、航空器等的挡风玻璃，不仅可以减少空气中灰尘等污染物的污染，还能够使其在高湿度环境或雨天保持干燥：用于水中运输工具或水下核潜艇上，可以减少水的阻力，提高行驶速度；用于微流体装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送；也可以用它来修饰纺织品，做防水和防污的服装等等。
仿生学研究报告上传
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自然界材料构筑科学与 创新思维》研究报告 指导教师: 学号：姓名:
目录 一、仿生学概念 二、自己对仿生学的理解 三、仿生学的应用 1.利用动物体的特性 （１）利用鱼鸟的特点为火车入隧道过程降噪 （2）利用鲨鱼皮表面的特点进行抗菌（3）利用珊瑚体秘方减少二氧化碳的排放（4）学习小生物如何从雾气中获取水分2.利用植物体的特性 （１）利用树沿压力线重组的特性构造轻量化材料 （2）利用叶子的光合作用制造太阳能电池（３）利用荷叶表面的特性制造防雨工具（４）王莲能够托起超重物体 3.利用细胞特性 （1）利用细胞膜的特性制造去盐薄膜 四、小结
一、仿生学的概念 仿生学是指人类模仿生物功能，来发明创造的科学。它是一门新型边缘学科。研究对象是生物体的结构、功能和工作原理,并将这些原理移植于人造工程技术之中。该学科的问世，大大开阔了人类的技术眼界,显示了巨大的发展潜力,是人类智慧的结晶。 二、自己对仿生学的理解 仿生学就是通过理解动物的自身特性，以及它们利用这些特性所做出的利于自己生存的本领,再经过人类能动性的思考,抽象出前所未有的新思想新概念，最后利用联系的思想加以应用于人类的生活和生产,为人类创造便捷和更有突破的生活方式。我们的生活、生产中不缺乏一些例子。例如,我们平时最讨厌的在空中到处乱飞的苍蝇,利用苍蝇的鼻子嗅觉原理可以制作小型的气体探测仪,利用苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）进行模仿,将它制成了“振动陀螺仪”，应用到了火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶;利用蝙蝠发出的超声波可以与障碍物反弹的原理制成了制造出了雷达,应用到了飞机航空中。萤火虫腹部的发光器中的荧光酶的作用下,荧光素在细胞内水分的参与下,与氧化合便发出荧光，正是利用这样的原理，创造了日光灯．.．.．. 像这样仿生学的例子数不胜数。接下来,让我们具体看一看仿生学的应用。