仿生复合材料ppt
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仿生材料ppt
构） 松质骨，羟基磷灰石+胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的 壳基质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 贝壳的结构一般可分为3层： ✓ 最外一层为角质层，很薄，透明，
有光泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。 ✓ 中间一层为壳层，又称棱柱层，占 贝壳的大部分，由极细的棱柱状的 方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 ✓ 最内一层为壳底,即珍珠质层，富 光泽，由小平板（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的 壳基质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 贝壳的结构一般可分为3层： ✓ 最外一层为角质层，很薄，透明，
有光泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。 ✓ 中间一层为壳层，又称棱柱层，占 贝壳的大部分，由极细的棱柱状的 方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 ✓ 最内一层为壳底,即珍珠质层，富 光泽，由小平板（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
材料导论第十四章复合材料ppt课件
混凝土＝水泥+砂+石
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复 合 材
按增强相 的形态分
颗粒增强 纤维增强 晶须增强
碳纤维 玻璃纤维 有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料 承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩 擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相 复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具 有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石 墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反 应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度， 且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于 汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复 合 材
按增强相 的形态分
颗粒增强 纤维增强 晶须增强
碳纤维 玻璃纤维 有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料 承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩 擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相 复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具 有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石 墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反 应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度， 且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于 汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等
浅谈仿生材料PPT课件
蘑菇能做什么？
利用真菌制作的材料
在世界上生产的纤维材料中，有一种网状 菌丝体，它由纤维缠绕，显得毫无织物纹路， 更无法测定其性能，可它却成为当今世界发 达国家最看好的可再生资源。而且当它废弃 时，还可以成为复合材料工业中最为看好的 再生资源，即废旧利用原材料。
美国纽约一家称为Ecovative Design的纤 维开发公司将这种菌丝缠绕材料设计为建筑 用复合材料。由此，他们再也不用传统所用 的高成本聚氨酯树脂，取而代之，他们认为， 真菌细丝纤维网的作用更好。这种很细的菌 丝活跃度很强，纤维丝生长长度可达8英里， 可替代天然胶。其终端产品除了做包装材料 外，还可以做绝缘材料、服装纤维材料等等。
研究人员称，关于两种碳纳米管在太阳能电 池中具有不同效用的发现也是此次研究的一 项重要成果，此前还没有被实验证明过。半 导体纳米管可以提高太阳能电池的性能，但 导线类纳米管的作用却正好相反。该发现或 有助于设计出更有效的纳米电池、压电材料 或其他与电力相关的材料。
负责该项研究的麻省理工学院教授安吉拉·贝 尔彻说，该技术还可以用来设计其他病毒增 强型太阳能电池，包括量子点和有机太阳能 电池。在提高普通太阳能电池的转化效率上 该技术也有很大的潜力，不过这有赖于生物 技术的进一步发展。
设计灵感源自贻贝等海洋生物。美国加州大 学圣塔芭芭拉分校有机化学教授赫伯特-韦特 设计了一种新颖方法制造适用于潮湿表面的 胶棒。
模拟鲨鱼皮的抗菌材料
对于海洋中的某些细菌、海藻和贝类而言， 从身边经过的一艘艘轮船就是活动的礁石， 船底、船身、管道都是它们栖身的绝佳场所。 如果船舶船体上不使用防生物污损的防护涂 料，往往不出两个月，船底就会被各种海洋 附着生物覆盖得几乎看不出原样。
研究人员经研究发现，M13病毒可以很好地解决这 一问题。这种病毒长度为880纳米，结构简单易于 操控，且对人体无害。M13病毒中的一种肽可使其 附着在碳纳米管上，从而保证纳米管处于恰当的位
复合材料课件第八章 仿生复合材料
主要研究人体结构与精细结构的静 力学性质，以及人体各个组成部分在体 内相对运动和人体运动的动力学性质， 从生物力学角度为疾病的预防、诊断和 治疗及人工器官、医疗康复器械的设计 与研制提供科学根据。
46
一、复合材料最差界面的仿生设计
二、分形树状纤维和晶须的增强与构（Fibrous monolithic structure）
Matrix fiber
Interfacial layer
Structure of Bamboo and tree
Fibrous monolithic ceramics
❖1988年Coblenz提出了纤维独石结构设计的思想 ❖1993年Baskaran率先完成了这种陶瓷材料的制备，制备了SiC/C纤维
材料仿生 力学仿生
是使人造的机械能够部分地实现诸 如思维、感知、运动和操作等高级 动物功能的仿生技术。功能仿生必 须以结构仿生为基础，在智能机器 人的研究中具有重大意义。
45
分类
结构仿生
功能仿生
材料仿生 力学仿生
指模拟生物的各种特点或特性而 进行各种材料开发的仿生技术。它 的研究内容以阐明生物体的材料构 造与形成过程为目标，用生物材料 的观点来考虑材料的设计与制作。
贝壳珍珠层的层状结构
鲍鱼壳（abalone shell）断面显微结构
层状结构（Laminated or layered structure）
matrix layer
Interfacial layer
matrix layer
Structure of Nacre
Laminated structure ceramics
❖1994年，清华大学黄勇教授课题组研究了Si3N4/BN层状结构陶瓷复合材料，其表观断裂 韧性高达28MPam1/2，断裂功高达4000J/m2，比常规的Si3N4材料分别提高了数倍和数十 倍。
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一、复合材料最差界面的仿生设计
二、分形树状纤维和晶须的增强与构（Fibrous monolithic structure）
Matrix fiber
Interfacial layer
Structure of Bamboo and tree
Fibrous monolithic ceramics
❖1988年Coblenz提出了纤维独石结构设计的思想 ❖1993年Baskaran率先完成了这种陶瓷材料的制备，制备了SiC/C纤维
材料仿生 力学仿生
是使人造的机械能够部分地实现诸 如思维、感知、运动和操作等高级 动物功能的仿生技术。功能仿生必 须以结构仿生为基础，在智能机器 人的研究中具有重大意义。
45
分类
结构仿生
功能仿生
材料仿生 力学仿生
指模拟生物的各种特点或特性而 进行各种材料开发的仿生技术。它 的研究内容以阐明生物体的材料构 造与形成过程为目标，用生物材料 的观点来考虑材料的设计与制作。
贝壳珍珠层的层状结构
鲍鱼壳（abalone shell）断面显微结构
层状结构（Laminated or layered structure）
matrix layer
Interfacial layer
matrix layer
Structure of Nacre
Laminated structure ceramics
❖1994年，清华大学黄勇教授课题组研究了Si3N4/BN层状结构陶瓷复合材料，其表观断裂 韧性高达28MPam1/2，断裂功高达4000J/m2，比常规的Si3N4材料分别提高了数倍和数十 倍。
第8章 仿生复合材料PPT课件
You Know, The More Powerful You Will Be
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
13
仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 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。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
13
仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 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。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
仿生复合材料PPT课件
如哑铃状的碳化硅晶须，延展性明显提高。 分形结构的碳纤维增强环氧树脂，强度和韧性比普
通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态
.
8.2.2.2. 分子尺度的化学仿生
✓复合相界面的化学仿生和复合材料单体结 构化学仿生。
✓a界面化学键仿生 ✓b单体化学分子结构仿生
.
8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
连续纤维的脆性和界面设计的困难 纤维易由基体拔出导致增强失效 晶须的长径比不易选择 寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到困难 需求复合材料损伤性能的恢复方法和内部 裂纹的愈合方法
.
生物材料最显著的特点是具有自我调节功能，再 者具有一些自适应和自愈合能力，而研究的重要 课题如下：
.
例如断骨的自愈合
.
8.2 复合材料的仿生 设计和制备
– 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。
– 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， 氧气的扩散系数研究
.
8.2.3复合材料仿生制备的可行性途径
仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 用分形树状氧化锌晶须的制备 碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤 维螺旋的制备新方法 自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 仿生叠层复合材料的制备
.
北京工商材料科学与工程学 院
.
8.2.2复合材料的仿生设计方法分类
.
8.2.2.1界面宏观拟态仿生设计
复合材料界面的作用：是增强物和基体连接的桥梁， 同时也是应力及其它信息的传递者，界面的 性质 直接影响着复合材料的各项力学性能。
通纤维高50%。 仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料 拟态
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8.2.2.2. 分子尺度的化学仿生
✓复合相界面的化学仿生和复合材料单体结 构化学仿生。
✓a界面化学键仿生 ✓b单体化学分子结构仿生
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8.2.2.3. 微观晶体结构仿生
连续纤维的脆性和界面设计的困难 纤维易由基体拔出导致增强失效 晶须的长径比不易选择 寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到困难 需求复合材料损伤性能的恢复方法和内部 裂纹的愈合方法
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生物材料最显著的特点是具有自我调节功能，再 者具有一些自适应和自愈合能力，而研究的重要 课题如下：
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例如断骨的自愈合
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8.2 复合材料的仿生 设计和制备
– 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。
– 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， 氧气的扩散系数研究
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8.2.3复合材料仿生制备的可行性途径
仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应 用气相生长法制备树根状仿生碳纤维 用分形树状氧化锌晶须的制备 碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤 维螺旋的制备新方法 自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备 制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术 仿生叠层复合材料的制备
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北京工商材料科学与工程学 院
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8.2.2复合材料的仿生设计方法分类
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8.2.2.1界面宏观拟态仿生设计
复合材料界面的作用：是增强物和基体连接的桥梁， 同时也是应力及其它信息的传递者，界面的 性质 直接影响着复合材料的各项力学性能。
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。
2024版《复合材料》PPT课件
基体材料选择
如环氧树脂、聚酰胺、聚酯等，具有良好的粘结性、耐腐蚀性等 特点。
原材料预处理
包括清洗、干燥、剪裁、浸润等步骤，以确保原材料的质量和性 能。
成型工艺方法介绍
手糊成型
喷射成型
将纤维增强材料和基体材料手工逐层铺设在 模具上，通过手工涂刷或喷涂基体材料，形 成复合材料制品。
利用喷枪将基体材料和短切纤维同时喷向模 具表面，形成复合材料层。
复合材料可用于制造汽车发动机罩、底盘护板等部件，具 有减振、降噪和提高耐久性等优点。
建筑领域应用
结构构件
复合材料用于制造建筑结构如梁、板、柱等，具有轻质高强、耐腐蚀和耐候性等优点，如纤 维增强混凝土（FRC）在建筑中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
内饰部件 复合材料可用于制造汽车座椅、仪表盘、门板等内饰部件， 提高舒适性和美观度，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）在 内饰中的应用。
发动机和底盘部件
光子复合材料
能够调控光的传播路径和性质， 具有隐身、光学存储等智能特性， 在光通信、光计算等领域具有重 要应用价值。
THANKS
汇报结束 感谢聆听
《复合材料》PPT课件
目录
contents
• 复合材料概述 • 复合材料的组成与结构 • 复合材料的制备工艺 • 复合材料的性能特点 • 复合材料的应用实例分析 • 复合材料的未来发展趋势
01
复合材料概述
定义与分类
定义
如环氧树脂、聚酰胺、聚酯等，具有良好的粘结性、耐腐蚀性等 特点。
原材料预处理
包括清洗、干燥、剪裁、浸润等步骤，以确保原材料的质量和性 能。
成型工艺方法介绍
手糊成型
喷射成型
将纤维增强材料和基体材料手工逐层铺设在 模具上，通过手工涂刷或喷涂基体材料，形 成复合材料制品。
利用喷枪将基体材料和短切纤维同时喷向模 具表面，形成复合材料层。
复合材料可用于制造汽车发动机罩、底盘护板等部件，具 有减振、降噪和提高耐久性等优点。
建筑领域应用
结构构件
复合材料用于制造建筑结构如梁、板、柱等，具有轻质高强、耐腐蚀和耐候性等优点，如纤 维增强混凝土（FRC）在建筑中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
内饰部件 复合材料可用于制造汽车座椅、仪表盘、门板等内饰部件， 提高舒适性和美观度，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）在 内饰中的应用。
发动机和底盘部件
光子复合材料
能够调控光的传播路径和性质， 具有隐身、光学存储等智能特性， 在光通信、光计算等领域具有重 要应用价值。
THANKS
汇报结束 感谢聆听
《复合材料》PPT课件
目录
contents
• 复合材料概述 • 复合材料的组成与结构 • 复合材料的制备工艺 • 复合材料的性能特点 • 复合材料的应用实例分析 • 复合材料的未来发展趋势
01
复合材料概述
定义与分类
定义
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
-
英国开发自愈材料可让受损飞机自我修复
-
Thank you
-
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）。
-仿生学应Biblioteka 举例模仿白暨豚头部造型的电动车
-
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。
仿生复合材料
-
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。
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仿生学的作用
在生物千万年的进化过程后，往往会针对 某一特定功能需求，而产生最优化的结构。
仿生复合材料不仅可以参照生物体的结构来设计优良 的结构用材料，同时也可仿效其功能发展功能材料。
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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
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复合材料的结构仿生
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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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。
如，木材 宏观结构：由树皮、边材和芯材组成复合
材料。 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。
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木材宏观结构
木材微观结构
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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。
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仿生复合材料
例如，几乎所有的植物纤维细胞都是空心的、多层的， 而且往往是分叉的。以CVD法制备的仿生空心石墨纤维 的强度与柔韧性均较实心者为佳。
按照仿竹结构提出了一种碳纤维增强树脂的优化模型。 实验结果表明，仿竹材料的平均弯曲强度比具有同样 数量基体和增强纤维，但分布均匀者提高81%，最优者 高出103%。
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。
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仿生复合材料
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。
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复合材料的功能仿生
（2）水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分 别为161.0±2. 7°和2°这样强的超疏水 能力和不黏附的特性使荷叶产生了自清洁 效应。
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。
（参考,高雪峰，江雷.天然超疏水生物表面研究的新进展.物理）
能身穿一层与一种非洲鱼 “外衣”类似的防弹盔甲。 这种非洲鱼名为塞内加尔多 鳍鱼，俗称金恐龙鱼，已经 有近1亿年的历史。目前，美 国陆军已向麻省理工学院的 工程师提供资金，揭开构成 每个鳞片的多层材料如何排 列进而保护这种远古时代的 鱼免遭捕食者之口的秘密。 研究人员在2008年夏季报告 了他们的发现，并计划将发 现应用到结构材料研制上， 例如为士兵开发防弹盔甲。
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。
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树的枝桠
枝桠处的纹理
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仿生学=生物结构+工程技术 生物结构+复合材料技术=
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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
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复合材料的功能仿生
超疏水应用
料可 自 洁 的 涂
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复合材料的功能仿生
2.自修复功能仿生 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。 那么能不能研究出具有自愈性能的材料 呢？
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复合材料的功能仿生
英国工程与科学研究委员会的研究人员正 在开发一种特殊的复合材料，这种材料在 受到挤压或损坏时会“流出”树脂，有效 形成可修复受损处的“痂疤”。这项创新 可能会显著提高航空安全，同时激励技术 人员开发更轻型的飞机，将生物模仿 (biomimicry)技术引入航空领域。
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竹纤 维的 结合 方式
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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。
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结构仿生举例
鲨鱼皮微观结构
仿鲨鱼皮结构的泳衣
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结构仿生举例
仿金恐龙鱼的未来盔甲 在未来战场上出现的士兵可
金恐龙鳗鱼
新概念鱼鳞式盔甲
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复合材料的功能仿生
1.超疏水界面仿生 自然界中的超疏水
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复合材料的功能仿生
（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
英国开发自愈材料可让受损飞机自我修复
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Thank you
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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）。
-仿生学应Biblioteka 举例模仿白暨豚头部造型的电动车
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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。
仿生复合材料
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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。
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仿生学的作用
在生物千万年的进化过程后，往往会针对 某一特定功能需求，而产生最优化的结构。
仿生复合材料不仅可以参照生物体的结构来设计优良 的结构用材料，同时也可仿效其功能发展功能材料。
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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
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复合材料的结构仿生
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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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。
如，木材 宏观结构：由树皮、边材和芯材组成复合
材料。 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。
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木材宏观结构
木材微观结构
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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。
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仿生复合材料
例如，几乎所有的植物纤维细胞都是空心的、多层的， 而且往往是分叉的。以CVD法制备的仿生空心石墨纤维 的强度与柔韧性均较实心者为佳。
按照仿竹结构提出了一种碳纤维增强树脂的优化模型。 实验结果表明，仿竹材料的平均弯曲强度比具有同样 数量基体和增强纤维，但分布均匀者提高81%，最优者 高出103%。
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。
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仿生复合材料
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。
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复合材料的功能仿生
（2）水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分 别为161.0±2. 7°和2°这样强的超疏水 能力和不黏附的特性使荷叶产生了自清洁 效应。
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。
（参考,高雪峰，江雷.天然超疏水生物表面研究的新进展.物理）
能身穿一层与一种非洲鱼 “外衣”类似的防弹盔甲。 这种非洲鱼名为塞内加尔多 鳍鱼，俗称金恐龙鱼，已经 有近1亿年的历史。目前，美 国陆军已向麻省理工学院的 工程师提供资金，揭开构成 每个鳞片的多层材料如何排 列进而保护这种远古时代的 鱼免遭捕食者之口的秘密。 研究人员在2008年夏季报告 了他们的发现，并计划将发 现应用到结构材料研制上， 例如为士兵开发防弹盔甲。
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。
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树的枝桠
枝桠处的纹理
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仿生学=生物结构+工程技术 生物结构+复合材料技术=
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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
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复合材料的功能仿生
超疏水应用
料可 自 洁 的 涂
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复合材料的功能仿生
2.自修复功能仿生 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。 那么能不能研究出具有自愈性能的材料 呢？
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复合材料的功能仿生
英国工程与科学研究委员会的研究人员正 在开发一种特殊的复合材料，这种材料在 受到挤压或损坏时会“流出”树脂，有效 形成可修复受损处的“痂疤”。这项创新 可能会显著提高航空安全，同时激励技术 人员开发更轻型的飞机，将生物模仿 (biomimicry)技术引入航空领域。
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竹纤 维的 结合 方式
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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。
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结构仿生举例
鲨鱼皮微观结构
仿鲨鱼皮结构的泳衣
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结构仿生举例
仿金恐龙鱼的未来盔甲 在未来战场上出现的士兵可
金恐龙鳗鱼
新概念鱼鳞式盔甲
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复合材料的功能仿生
1.超疏水界面仿生 自然界中的超疏水
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复合材料的功能仿生
（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