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1、仿生复合材料仿生复合材料 探讨自然界的启示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？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。1.1、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。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人类在设计某些东西时，可以从
2、生物结构上得到一些灵感（如，雷达的产生），甚至直接套用生一些灵感（如，雷达的产生），甚至直接套用生物结构（如，锯齿）。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）二、生物材料二、生物材料人们知道，自然界的生物材料具有复合结构，经人们知道，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结构与形态。所有这些均可作为人们进行材料
3、仿生研究的参考。生研究的参考。（1 1）生物材料的复合特性：生存下来的生物结构）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。大都符合环境要求，并成功地达到了优化水平。例如：木材。例如：木材。木材的围观和宏观结构木材的围观和宏观结构宏观结构：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。（2 2）生物材料的功能适应性：）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
4、适应性所决定的。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。疑说明树木具有某种反馈功能和自我调节的能力。树的枝桠枝桠处的微观纹理（3 3）生物材料的创伤愈合：）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生物材料的显著特点之一是具有再生机能，受到损伤破
5、坏以后机体能自行修补创伤。行修补创伤。例如断骨的自愈合过程：例如断骨的自愈合过程：仿生复合材料（仿生复合材料（bionics composite 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。合节约高效的优化原则，即以最少的材料达到最高的效能。 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。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
6、料机理分析的任务就是从材料科学的观点对生物材料机理分析的任务就是从材料科学的观点对 其进其进行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象，找出有行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象，找出有 用的用的规律来指导复合材料的设计和研制。规律来指导复合材料的设计和研制。 三、仿生复合材料 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：有下述特点： 特定的、不规则的外形，如骨骼；特定的、不规则的外形，
7、如骨骼； 力学性能的方向性，如竹、木等；力学性能的方向性，如竹、木等； 几乎所有的生物体构件的截面都是宏观非均质的；几乎所有的生物体构件的截面都是宏观非均质的； 显微组元（如纤维）具有复杂的、多层次的精细结构。显微组元（如纤维）具有复杂的、多层次的精细结构。（1 1）复合材料的结构仿生）复合材料的结构仿生）复合材料的结构仿生）复合材料的结构仿生 生物材料中螺旋的增韧作用生物材料中螺旋的增韧作用 竹层的结构：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。）大部分载荷。） 薄壁细胞：基体薄壁细胞：基
8、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，通常厚层为夹角分布。（每层中的微纤丝以不同升角分布，通常厚层为3 3 1010，薄，薄层为层为3030 4545 。）。）竹纤维的显微结构仿生螺旋纤维增强材料仿生螺旋纤维增强材料仿生螺旋纤维增强材料仿生螺旋纤维增强材料用仿生双螺旋玻璃纤维增强用仿生双螺旋玻璃纤维增强环氧树脂，所得层合板具有环氧树脂，所得层合板具有较好的断裂韧性和抗扭强度。较好的断裂韧性和抗扭强度。采用螺旋碳纤维制成的复合采用螺旋碳纤维制成的复合材料具有高的抗拉
9、强度和冲材料具有高的抗拉强度和冲击韧性。击韧性。鲨鱼皮微观结构仿鲨鱼皮结构的泳衣（2 2）复合材料的功能仿生）复合材料的功能仿生）复合材料的功能仿生）复合材料的功能仿生（1 1）超疏水材料界面仿生。）超疏水材料界面仿生。自然界中的超疏水现象：自然界中的超疏水现象：（1 1）蝉翼不仅透明轻薄）蝉翼不仅透明轻薄, ,而且其表面有非常好的超疏水性和而且其表面有非常好的超疏水性和自清洁性。自清洁性。蝉翼的厚度大约在蝉翼的厚度大约在810m,810m,而且蝉翼的上下表面都是由规则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排列的纳米柱状结构组成的。这些纳米柱的直径大约在8
10、0 80 nmnm左右，纳米柱之间的间距大约在左右，纳米柱之间的间距大约在180 nm180 nm左右。此外，纳左右。此外，纳米柱的高度大约在米柱的高度大约在200 nm200 nm左右左右（2 2）荷叶表面由许多直径为）荷叶表面由许多直径为59m59m的乳突构成的乳突构成, ,而每个乳而每个乳突又是由平均直径为突又是由平均直径为124. 33. 2nm124. 33. 2nm的纳米结构分支组成。的纳米结构分支组成。（2 2）自我修复功能仿生）自我修复功能仿生 在自然界中，生物材料在受到损伤后，往往能自我修复，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。如
11、，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俄罗斯中央机器制造科学研究所已经研制出可“ “自我修复自我修复” ”的飞船外壳新材料。这种新材料的的飞船外壳新材料。这种新材料的“ “自我修复自我修复” ”能力与人体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。尚处于试验的最初阶段，它将应用于未来的飞船和空间站。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人造骨骼叠层状陶瓷、纤维增强铝合金胶结层板、钢板叠叠层状陶瓷、纤维增强铝合金胶结层板、钢板叠层复合材料层复合材料薄层陶瓷材料薄层陶瓷材料水泥水泥仿生应用仿生应用0942020104 杜 经
