仿生复合材料

• （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 （2）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。
仿生复合材料
——探讨自然界的启示
一、什么是仿生学 二、生物材料 三、仿生复合材料 四、仿生复合材料的应用
一、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。
• 自然的生物复合材料拥有良好的特性，每一种生物体的具体构件都是适
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应特定环境的产物。其最大优点是极为节约高效和用途和专一性，其具 有下述特点： ①特定的、不规则的外形，如骨骼； ②力学性能的方向性，如竹、木等； ③几乎所有的生物体构件的截面都是宏观非均质的； ④显微组元（如纤维）具有复杂的、多层次的精细结构。
（1）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 • 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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• （2）自我修复功能仿生
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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。 俄罗斯中央机器制造科学研究所已经研制出可“自我修复” 的飞船外壳新材料。这种新材料的“自我修复”能力与人体 皮肤遭受轻微损伤时的自行修复功能类似。目前，这种材料 尚处于试验的最初阶段，它将应用于未来的飞船和空间站。
1.1、仿生学的作用
• 在生物千万年ห้องสมุดไป่ตู้进化过程后，往往会针对某一特
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定功能需求，而产生最优化的结构。 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）。
仿生应用举例
70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球 体蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上 抽取了约80英尺（约24.4米）长的蛛丝，纺织 成这块11英尺×4英尺的披肩（重1.18kg）
宏观结构：由树皮、边材和芯材组成 复合材料。
• （2）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。 • 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。
埋植在碳纤维强化塑料中的空玻璃纤维（英国开发的 自愈材料能使飞机自我修复）
四、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
仿生应用
0942020104 杜经
结竹 构纤 维 的 显 微
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。
结鲨 构鱼 皮 微 观
仿鲨鱼皮结构的泳衣
（2）复合材料的功能仿生
• （1）超疏水材料界面仿生。 • 自然界中的超疏水现象：
二、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。 （1）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。 例如：木材。
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木材的围观和宏观结构
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。
树的枝桠 枝桠处的微观纹理
（3）生物材料的创伤愈合：
生物材料的显著特点之一是具有再生机能，受到损伤破坏以后机体能自
行修补创伤。 例如断骨的自愈合过程：
三、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。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。