仿生复合材料
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研发类似或优于生物材料的新材料
仿生复合材料
19
• 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
仿生复合材料
20
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
力学性能 的方向性
如木、竹
截面宏观 非均质
显微组元 具有复杂 的、多层 次的精细 结构。
仿生复合材料
复合材料的仿生设计
1 复合材料最差界面的仿生设计
2
分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应
3
仿生螺旋的增韧作用
4 仿生愈合与自愈合抗氧化 5 仿生叠层复合材料的研究
• 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。
仿生复合材料
• 二、分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应
仿生复合材料
二、分形结构
仿生复合材料
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。
• 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，氧气的扩散系数降低。
仿生复合材料
• 五、 仿生叠层复合材料研究
仿生复合材料
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。
生物材料的特性
复合
功能适应性
生物材料
创伤愈合
仿生复合材料
• 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，
材料得自然损伤-在空气中的氧化 某些材料通过氧化后形成致密的氧化物保 护膜
仿生复合材料
陶瓷/碳复合材料的自愈合抗氧化
• 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。
仿生复合材料
分形树状纤维和晶须的增强与增 韧效应
仿生复合材料
• 三、仿生螺旋的增韧作用
仿生复合材料
Baidu Nhomakorabea
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
仿生复合材料
仿生复合材料
1
材料研究的难题
2
奇妙的生物材料
3
仿生材料与仿生学
4
复合材料的仿生设计
仿生复合材料
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
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
仿生复合材料
• 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。
仿生复合材料
仿生复合材料
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
仿生复合材料
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
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
仿生复合材料
15
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
16
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
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。
向刚度，切向刚度大幅
度提高。
仿生复合材料
三、仿生螺旋的增韧作用
• 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。
仿生复合材料
• 四、仿生愈合与自愈合抗氧化
仿生复合材料
四、仿生愈合与自愈合抗氧化
• 生物体损伤自愈合 • 材料的仿生自愈合
仿生复合材料
内部裂纹的愈合方法
仿生复合材料
贝壳是的强、韧的最佳配合, 它又被称为摔不坏的陶瓷。 贝壳和珍珠在断裂前能经受较 大的塑性变形，具有优异的高 韧性。其主要原因是由于裂纹 偏转、纤维（晶片）拔出以及 有机基质桥接等各种韧化机制 协同作用的结果。而这些韧化 机制又与珍珠层的特殊组成、 结构密切相关。
仿生复合材料
19
• 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
仿生复合材料
20
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
力学性能 的方向性
如木、竹
截面宏观 非均质
显微组元 具有复杂 的、多层 次的精细 结构。
仿生复合材料
复合材料的仿生设计
1 复合材料最差界面的仿生设计
2
分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应
3
仿生螺旋的增韧作用
4 仿生愈合与自愈合抗氧化 5 仿生叠层复合材料的研究
• 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。
仿生复合材料
• 二、分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应
仿生复合材料
二、分形结构
仿生复合材料
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。
• 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，氧气的扩散系数降低。
仿生复合材料
• 五、 仿生叠层复合材料研究
仿生复合材料
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。
生物材料的特性
复合
功能适应性
生物材料
创伤愈合
仿生复合材料
• 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，
材料得自然损伤-在空气中的氧化 某些材料通过氧化后形成致密的氧化物保 护膜
仿生复合材料
陶瓷/碳复合材料的自愈合抗氧化
• 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。
仿生复合材料
分形树状纤维和晶须的增强与增 韧效应
仿生复合材料
• 三、仿生螺旋的增韧作用
仿生复合材料
Baidu Nhomakorabea
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
仿生复合材料
仿生复合材料
1
材料研究的难题
2
奇妙的生物材料
3
仿生材料与仿生学
4
复合材料的仿生设计
仿生复合材料
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
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
仿生复合材料
• 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。
仿生复合材料
仿生复合材料
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
仿生复合材料
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
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
仿生复合材料
15
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
16
仿生复合材料
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。
仿生复合材料
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。
向刚度，切向刚度大幅
度提高。
仿生复合材料
三、仿生螺旋的增韧作用
• 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。
仿生复合材料
• 四、仿生愈合与自愈合抗氧化
仿生复合材料
四、仿生愈合与自愈合抗氧化
• 生物体损伤自愈合 • 材料的仿生自愈合
仿生复合材料
内部裂纹的愈合方法
仿生复合材料
贝壳是的强、韧的最佳配合, 它又被称为摔不坏的陶瓷。 贝壳和珍珠在断裂前能经受较 大的塑性变形，具有优异的高 韧性。其主要原因是由于裂纹 偏转、纤维（晶片）拔出以及 有机基质桥接等各种韧化机制 协同作用的结果。而这些韧化 机制又与珍珠层的特殊组成、 结构密切相关。