仿生复合材料
10-复合材料9-仿生
第9章 仿生复合材料
- 探讨自然界的启示
Y. Lu
1
2007
古代
鲁班造锯：上山砍树，因带齿的丝茅草叶
划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动 的仿生例子。
现代
Y. Lu
2
2007
自然界的智慧
• 隐身衣
Y. Lu
27
•
2007
3. 新干线列车(学习对象：翠鸟)
• 日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合每小时 193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪 音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)介入 了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气， 形成了一堵“风墙”。 当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨 大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水 一样“穿透”隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类——翠鸟的行为。翠鸟生 活在河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀子一样，瞬间穿 越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。 中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同 翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安 静地离开隧道。事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出15%。
自清洁表面（涂料，材料） 德国生物学家Barthlott发现
仿生复合材料
力学性能 的方向性
截面宏观 非均质
如木、竹
显微组元 具有复杂 的、多层 次的精细 结构。
复合材料的仿生设计
1
2 3
复合材料最差界面的仿生设计
分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应
仿生螺旋的增韧作用
4
5
仿生愈合与自愈合抗氧化
仿生叠层复合材料的研究
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。 • 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。
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。 • 叠层结构是许多材料高断裂韧性的根源。 • 叠层结构在断裂过程中的变化： a 对裂纹的断裂起到偏转作用 b裂纹的频繁偏转延长了裂纹的扩展路径 c导致裂纹从应力状态有利方向转为不利方向 d有机质发生塑性变形，降低裂纹尖端的应力强 度因子，增大了裂纹的扩展阻力。
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
十大仿生技术
1. 塑料涂层(学习对象：鲨鱼)
• 细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有 多高，他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上。事实 上，美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨 鱼却可以让自己的身体长久保持清洁——长达一亿多年。 • 与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一 现象给工程师托尼· 布伦南带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的 特性以后，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶 的涂层。鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由 小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来， 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。 • 一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼 皮开发一种排斥细菌的涂层材料。
仿生智能生物质复合材料制备关键技术
仿生智能生物质复合材料制备关键技术仿生智能生物质复合材料是一种新型的复合材料，具有很好的机械性能、生物相容性和可持续性。
其制备过程需要掌握以下关键技术：
1. 生物质材料的选择和预处理：选择具有一定力学性能和结构特点的生物质材料，并进行适当的预处理，如去除杂质、水分和结构参数的调整等。
2. 仿生智能材料的设计：根据仿生学原理和材料力学的基本原理，设计出具有良好力学性能和智能响应的复合材料结构。
3. 生物质复合材料的制备技术：采用合理的制备工艺，将生物质材料与功能材料进行复合，形成具有特定性能的复合材料。
4. 复合材料的表征和性能测试：对制备出的仿生智能生物质复合材料进行表征和性能测试，如力学性能、热学性能和智能响应特性等。
以上关键技术的掌握对于仿生智能生物质复合材料的制备十分重要，可以为其在生物医学、环境保护等领域的应用奠定坚实的基础。
- 1 -。
仿生复合材料
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。
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%。 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。
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
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°。）
金恐龙鳗鱼
新概念鱼鳞式盔甲
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
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
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。
复合材料课件第八章 仿生复合材料
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。
含内界面相的仿生纳米复合材料微观力学模型
含内界面相的仿生纳米复合材料微观力学模型1. 引言仿生纳米复合材料是一种结合了仿生学和纳米技术的新型材料，具有优异的力学性能和生物相容性。
其中，含内界面相的仿生纳米复合材料在力学性能方面表现出独特的特点。
本文将从微观力学模型的角度出发，对含内界面相的仿生纳米复合材料进行评估和探讨，以期为读者提供深入、全面的了解。
2. 含内界面相的仿生纳米复合材料的定义和特点含内界面相的仿生纳米复合材料是指通过在材料内部引入界面相，以增强其力学性能和功能。
界面相是指材料中两种相之间的边界，可以是不同材料的交界面，也可以是同一材料的不同晶粒之间的结合面。
这种复合材料具有优异的力学性能，如高强度、高硬度和低磨损等，同时还具备优秀的生物相容性和生物活性。
3. 微观力学模型的评估方法为了探究含内界面相的仿生纳米复合材料的力学特性，研究人员通常采用微观力学模型进行评估。
微观力学模型可以精确描述材料内部的结构和相互作用，从而得出材料的宏观力学性能。
常用的微观力学模型包括有限元法、分子动力学模拟和连续介质力学模型等。
4. 有限元法在含内界面相的仿生纳米复合材料中的应用有限元法是一种广泛应用于工程领域的力学分析方法，可以模拟材料的变形、应力和应变等力学行为。
在含内界面相的仿生纳米复合材料中，有限元法可以用于建立精确的力学模型，以研究界面相对材料力学性能的影响。
通过该方法，研究人员可以模拟界面相的结构、形变和应力场分布等，并进一步分析其对材料整体性能的影响。
5. 分子动力学模拟在含内界面相的仿生纳米复合材料中的应用分子动力学模拟是一种基于分子尺度的模拟方法，可以研究材料的原子或分子运动规律以及相互作用。
在含内界面相的仿生纳米复合材料研究中，分子动力学模拟可以用于模拟界面相的形成、稳定性以及界面相与基体之间的相互作用。
通过该模拟方法，研究人员可以定量评估界面相对材料力学性能的影响，并提供指导性的设计原则。
6. 连续介质力学模型在含内界面相的仿生纳米复合材料中的应用连续介质力学模型是一种将材料视为连续介质的力学模型，可以描述材料的宏观力学性能。
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。
仿生复合装甲材料结构的设计
仿生复合装甲材料结构的设计仿生复合装甲材料结构的设计是将仿生学原理应用于装甲材料的设计和制造，以提高其性能和功能。
仿生学是生物学、物理学、工程学和材料科学的交叉学科，通过研究生物体的结构和功能，从中获得灵感并将其应用于工程设计中。
仿生复合装甲材料的设计需要从三个方面考虑：结构、材料和制造工艺。
首先，结构设计是指根据仿生学原理，设计出合适的形状和结构，以提高装甲材料的强度和耐冲击性。
例如，模仿贝壳的结构，将贝壳类似的多层结构应用于复合装甲材料中，可以增加其韧性和耐破坏性。
此外，仿生学还可以借鉴蜂窝结构，将小尺寸的蜂窝结构布置在装甲材料表面，以增强其抗击打和抗爆炸能力。
其次，材料选择是设计仿生复合装甲材料的关键因素之一。
仿生复合装甲材料通常由多种不同材料的组合构成，这些材料在各自特性上互补，共同提高整体性能。
例如，碳纤维和玻璃纤维可以与金属合金结合使用，以在强度和韧性上都达到最佳效果。
此外，选择具有高导热性和高阻燃性的材料，可以增强仿生复合装甲材料的防火性能。
最后，制造工艺是设计仿生复合装甲材料的另一个重要方面。
复合装甲材料的制造通常涉及到多种工艺，例如层压、注塑、热压等。
这些工艺的选择和优化可以提高仿生复合装甲材料的制造效率和性能。
例如，采用热压工艺，可以实现仿生复合装甲材料的高强度和韧性，同时保持其轻量化特性。
总之，仿生复合装甲材料的设计需要综合考虑结构、材料和制造工艺等方面的因素。
通过借鉴生物体的结构和功能，设计出符合工程要求的装甲材料，可以提高其强度、韧性、抗冲击性和防火性能。
未来，随着仿生学和材料科学的不断发展，仿生复合装甲材料有望在军事、航空航天和交通等领域得到广泛应用。
- 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)。
Superhydrophobic surface —— Lotus leaf
Superhydrophobic surface —— Two Factors
Hieratical structure
多元微纳复合结构
Low surface energy coating
低表面自由能
Possible mechanism of formation of MNBS of FPU/PMMA.
超疏水和自洁效应
Wetting Property —— Contact Angle
Young’ s Equation
Superhydrophobic Surface
Conact angle > 150, Sliding angle <5 ¾ The chemical compositions has limitation to get hydrophobic surface with CA more than 120. ¾ The surface roughness can amplify both the hydrophility and the hydrophobicity of the surface
生物材料的特点
3 生物材料的创伤愈合性 断骨修复
生物材料vs合成材料
• 生命过程的最大特点是能够通过新陈代谢进行自 恢复、自修复和自我更新。从物理学的角度来看， 生命体或生物体材料是一个开放体系，具有耗散 结构，能够通过从外界补充能量和物质，通过自 组织而再生，因而寿命可比无补充时成千倍地延 长。 • 工程材料则主要在制备阶段形成开放体系，而在 使用阶段，当其承受载荷和在手损伤时也是一种 形式的开放。但是人们很少着眼于内部结构和性 能的回复和更新。
仿生复合材料
材料仿生探索的提出
• 由于结构多样和工艺复杂，复合材料的设 计在实践上十分困难。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。 • Bionics • Biomimetics 结构、功能 • Bio-inspired 结构、功能、过程
Adv.Mater.2004,16,302-305
CA of water、oil drop on FPU/PMMA coated surface.
SEM of FPU/PMMA coated surface.
Adv.Mater.2004,16,302-305
Adv. Mater. 2006, 18, 767–770
Langmuir 2005, 21, 4713-4716
Superhydrophobic surface —— Water strider
Adv. Mater. 2005, 17(8), 1005-1009
0.5mm
0.5mm
0.8mm
Adv. Mater. 2005, 17(8), 1005-1009
巧夺天工的生物材料
巧夺天工的生物材料
硅藻
巧夺天工的生物材料
材料仿生探索的提出
• 生物材料 • 狭义：Biomaterial • 广义
– 生物改进材料 Bio－improved – 分子生物材料 Biomolecules – 受生物启发的材料和过程 Bio－inspired – 源于生物的材料
7.2/3.2 125 ° CA after alky (25 ℃, 13h)
定向自洁
光学防雾
复合材料的仿生设计之过程仿生
生物矿化
– 制备工艺
复合材料的仿生设计之结构与功能仿生
• 血红细胞膜和仿生细胞膜涂层材料 • 其他？！
复合材料的仿生设计之结构与功能仿生
Velcro 维可牢
复合材料的仿生设计之结构与功能仿生
鲨鱼皮泳装
超疏水仿生界面 和多元微纳复合界面仿生材料
大自然中的超疏水例子
Superhydrophobic surface —— Lotus leaf
Superhydrophobic surface —— Namib Desert Beetle
CA 172 º Nano lett. 2004, 6, 6(6), 1213 -1217
CA & SA differ at different ring size and distance on hieratical surface
生物材料的特点
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。 木材： 宏观结构是由树皮、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。
生物材料的特点
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。
9/3.2
8.5/3.2
Surface morphology with Ag (25 ℃, 13h) 7.2/3.2
CA & SA differ at different ring size and distance on hieratical surface
9/3.2 sliding
8.5/3.2 170°
复合材料的仿生设计之结构与功能仿生
• 仿生螺旋的增韧作用 – 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。）
– 仿生螺旋纤维增强材料
空心柱、纤维螺旋分布、多层结构。