自然与人工-仿生材料
自然与人工
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天然生物及其仿生材料
第二节仿生材料
?1992年，美国的秋季材料研讨会增加了“受生物系统启发的材料研究”（Materials Research Inspired by Biological Systems）这一分会，标志着材料的仿生研究受到广泛的关注。
?仿生材料是指受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料。
材料仿生的分类
?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。?材料仿生包括结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合（复合）仿生。材料仿生的过程大致可分为三个步骤，即仿生分析、仿生设计和仿生制备。
竹材的结构与仿生
从微观组织上竹材可大体分为
厚壁细胞和薄壁细胞，竹的横断面
结构中薄壁细胞为竹材的基体，而
厚壁细胞即竹纤维为竹材的增强体。
竹材中竹纤维硬度高于其基体
材料，由于竹纤维的密度从表到里
逐渐减小，竹材表层的耐磨性最高。
典型材料结构与仿生
竹材磨粒磨损表面形貌
竹纤维的微观结构 竹纤维是空心多层，由薄厚交
替的多层构成，每层又有更小的微
纤丝，微纤丝按螺旋方式排片，在
厚层中螺旋升角为3°~10°，而薄层
中螺旋升角为30°~90°，多数为
30°~45° ，避免了几何与物理突变，
改善了层间结合。
四种仿竹纤维模型
有过渡区的竹纤维其纤维壁结构
平直与螺旋纤维的拉伸性能
三种螺旋碳纤维的结构形貌
◆木材的结构与仿生
? 木材是一种宏观纤维增强复合材料。
仔细观察其年轮，可以看到其组织的疏密。以针叶树为例，内侧组织粗糙柔软，称
早材；外侧组织致密坚硬，称晚材。早材
具有从树根向树叶输送树液的作用。晚材
的管胞细胞壁厚，承担木材的机械强度，
其特征是具有坚硬的细胞壁。
材料
◆木材-无机质复合材
料
◆木材结构陶瓷复合
材料
松木和竹子及其SiC-Si复合材料的SEM照片
贝壳的结构与仿生
几种常见贝壳的微观结构 a.
真珠层 b.叶片层 c.棱柱层
d.交叉叠合
e.复合层片 在结构仿生方面最引人注目的是软
体动物的贝壳珍珠层层状结构的仿生。
贝壳分为三层，外层为角质层主要由硬
化蛋白质组成，厚度极薄，中层为棱柱
层，由定向的柱状方解石组成，内层为
珍珠层，由文石板片组成。
海洋贝类是由绝大部分的碳酸钙和极少量的有机质 (一般少于5%)所构成的有机—无机复合材料。
贝壳珍珠层的硬度是普通文石的
2倍，韧性是后者的1000倍，并且其力学性能具有各向异性的特点。研究表明：珍珠层良好的韧性与其成分和
层状结构密切相关。
珍珠层结构示意图
珍珠层中有机相的桥接
仿珍珠层陶瓷增韧复合材料的研究成果
其它层状仿生材料
科学家们很早就对电鱼的放
电现象进行了研究，例如电鳗体
长2.5,放电电压高达500V,放电
时能将水中与其相近的人和马击
昏。目前已知的电鱼约有500种
，它们能放电，是由于体内有一
种特殊的发电器官。电鱼放电的
基本单元是电板，从电鱼的发电
器官的结构可以看出，它就是串
联起来的多层电板组成的电池。
以伏打电池也称为人造电器官。
◆骨骼的结构与仿生
?骨是由密实的骨胶原纤维和充满
无机钙混合物的有机基体组成的复合材料。
? 骨为坚硬的结缔组织，是由表层
的密质骨和芯层的多胞松质骨构成的夹层结构或夹芯结构。
? 从复合材料的观点看，骨具有较
高的比强度，骨比铸铁轻三倍，但却具有铸铁的抗拉强度。
最简单的骨的仿生就是成分仿生。骨矿的主要构成是以羟基磷灰石为主的磷酸钙，因此人们试图制造羟基磷灰石为主的骨修复和替代材料。由于羟基磷灰石的力学性能较差，特别是脆性太大，所以人们将羟基磷灰石作为涂层涂镀在金属上，这样既利用了金属良好的力学性能，又发挥了羟基磷灰石优秀的生物相容性。
牙齿
?牙齿的组织结构分为釉质、牙本质和牙骨质(见图)。牙本质构成牙的主体，釉质覆于牙冠表面，牙骨质包在牙根与牙颈的表面。
?釉质为人体的最坚硬的组织，呈乳白色。
毛发的分级结构
◆毛发的主要成分是角蛋白，这是一类硬蛋白，不酵解，无直接营养价值，且性能稳定。
◆毛发具有高度有序的结构。一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间是皮层细胞。
西瓜纤维素的结构与仿生
植物为我们提供了很多有趣的现
象，例如我们常见的西瓜是一种含
水量极高的水果，在它的启发下，
人们研制了一种西瓜纤维素构造相
似的超吸水性树脂，它是用特殊设
计的高分子材料制造的，能够吸收
超越自身重量数百倍到数千倍的水
分，现在已用于废油的回收，既经
济又高效。
蜘蛛丝的结构与仿生 蜘蛛丝最吸引人的性能是力学性
能，由蛋白质纤维组成，具有高强
度、高弹性、高韧性，在外力作用
下，牵引丝纤维难以断裂。不过，
蜘蛛牵引丝的力学性能具有较大的
变异性，它因蜘蛛的品种、蜘蛛所
处的环境及状态等的变化而变化。
仿含羞草叶片的弹性膜材料
用手触摸含羞草的叶片，它就会像动物那样收缩。在这一种启发下，日本奥林巴斯公司的植田康弘研制了一种可以伸到小肠内里的内视镜，他在内视镜的筒状部分使用了一种与含羞草叶片表面结构相似的弹性膜材料，它在肠道流体的压力下，会沿着轴向自动伸长或弯曲，从而使内视镜的筒状部分与肠道保持同一形状。