_仿生复合材料

1自然界的生物材料•复合是自然界的基本规律•天然材料是最完美的材料，•人的心脏，75*60分*24小时*365天*80年=3，153，600，000跳/一生•该完美的特性就来源于复合与自修复234美国新经济杂志「Business2.0」预期，「仿生」是未来人类开创更美好新世界的八大科技之一！生物的骨骼构造比钢铁强硬；啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；蜘蛛丝有五倍钢铁的硬度与延展性；墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩；蜂鸟飞行600哩旅程耗费不到十分之一盎司的能量；蝙蝠的回音定位使用促進了雷达开发改进；莲花效应有绝佳的抗污性和疏水性自然生命世界蕴藏所有科技的奥秘与答案……。仿生学是研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学的研究主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。仿生学的范围很广，信息与控制仿生是主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究是仿生学研究的主攻方面。由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间地密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。6昆虫的特异功能•视觉功能•通讯功能•建筑功能•存活了3亿年的昆虫7视觉功能•复眼为许多单眼的结合，可使焦距大幅缩短•应用复眼机制，可制造出极薄的感知器8通讯功能•昆虫的触角可感知区区1个分子，并找出数公里外的气味源•模仿家蚕蛾的神经网络，设计出「气味源探测器」9建筑功能•六角形组成的的蜂巢结构，既轻又坚固•日本新干线车厢采用「铝蜂巢结构」•此结构也用于机翼上10存活了3亿年的昆虫-蟑螂•从感知风速到逃跑只需0.044秒，人类需要0.3秒•尾肢可对秒数2公分的风做出反应•可做微流速感知器11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12一、仿生壁虎胶带壁虎胶带13电镜显示,壁虎脚上有密集的刚毛,长度为30～130m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。141516Geimetal.NatureMaterials,2003;26218:1～3.模拟刚毛细分叉1718二、荷叶效应1920荷花效应主要是指莲叶表面具有超疏水以及自洁的特性。由于莲叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠，换言之，水与叶面的接触角会大于150度，只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。因此，即使经过一场倾盆大雨，莲叶的表面总是能保持干燥；此外，滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒一起带走，达到自我洁净的效果，这就是莲花总是能一尘不染的原因。21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。原来在荷叶叶面上存在著非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。22Prof.Dr.WilhelmBarthlott23•荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um，单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组成，乳突之间的表面同样存在纳米结构。微米-纳米的分级复合结构24在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。25单一微米或纳米结构示意图（上）微米-纳米的分级复合结构示意图（下）由于微、纳米结构并存，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，水珠只与荷叶表面乳突的部分蜡质晶体绒毛相接触。262728表面细微的纳米结构在自洁功能上扮演着关键的角色以荷叶为例，水珠与叶面接触的面积大约只占总面积的2～3%若将叶面倾斜，则水珠被迫以滚动方式运动。滚动时，会顺便吸附起叶面上的污泥颗粒，一同滚出叶面达到清洁的效果。29相形之下，在同样具有疏水性的光滑表面水珠只会以滑动的方式移动并不会夹带灰尘离开因此不具有自洁的能力。表面细微的纳米结构在自洁功能上扮演着关键的角色30蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周期性片层堆积而成。•昆虫翅膀表面的自清洁性31RO蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（RO方向）倾斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂直RO的两个方向，水滴不易滚离。不滚动RO32荷叶效应在日常生活中的应用在自然界中，植物总是暴露在各种污染源当中，例如灰尘、污泥，还有一些有机的细菌、真菌等。荷叶上复杂的纳米与微米级结构除了有自洁的功能外，还可以防止受到细菌、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。33•功能性涂装材料ex:油漆包括防水底片、防水喷雾剂；外衣、鞋子、车子的外壳、反光镜、安全帽镜片、厨具、瓦斯炉等容易脏污的器具表面，甚至飞机的表面34水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，它的一条腿能在水面上支撑起15倍于身体的重量，它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离。水黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微/纳米结构和油脂的协同效应三、水黾35虫腿在刺穿水面前的最深水窝侧面图,接触角167.6±4.4°36水黾腿部的微米刚毛与纳米沟槽结构电镜照片水黾的腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛（直径3um），刚毛表面形成螺旋状的纳米沟槽结构。37水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。38•哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量，甚至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没。•船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面被水直接打湿。模仿水黾----新型超级浮力材料39模仿水黾“水上漂”功夫的机器人40人们从天然生物的研究中得到启示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳等，它们虽然具有简单的组成，但是通过复杂结构的精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综合性能。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。四、贝壳41•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。•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，由小平板状的结构单元累积而成、成层排列，组成成分是多角片型的文石结晶体（CaCO3,斜方晶系）。文石贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿生42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30nm的有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。有机基质层对裂纹扩展起到偏转和桥接作用，使裂纹扩展途径。43•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。44贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑性变形，具有优异的高韧性。其主要原因是由于裂纹偏转、纤维（晶片）拔出以及有机基质桥接等各种韧化机制协同作用的结果。而这些韧化机制又与珍珠层的特殊组成、结构密切相关。贝壳是的强、韧的最佳配合,它又被称为摔不坏的陶瓷。45陶瓷强韧化设计：•简单组成、复杂结构；•引入弱界面层；•非均质精细结构设计46蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。20um10um六、蝴蝶翅膀47仿蝴蝶结构4849天然蛋白生物材料，是一种由不同氨基酸单元(主要为丙氨酸和甘氨酸单元)组成的链段共聚物。1.天然蜘蛛丝：“生物钢”七、天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料50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。结构决定性能512.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，又有较大的伸长率（达35%)。5253•松质骨和密质骨例：长骨两端骨骺（松质骨）中间骨干（密质骨）骨的主要有机相：胶原纤维（三股螺旋结构）松质骨，羟基磷灰石+胶原基体密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体八、骨骼的分级结构与仿生54动物的长骨，其构造特点为中部细长，骨质致密；两端粗大，骨质疏松。凡是骨骼中应力大的区域也正好是强度高的区域。长骨两端粗大，一方面在受压时减缓压应力的冲击，另一方面在与肌肉组织的协调配合上，粗大的端部有利于应力传递，更有效地发挥骨质致密的中段骨头的承力作用。这种骨头与肌肉的有效配合，使得肢体的比强度和持重比提高。55若增强剂（短纤维）为两端大的哑铃型，则其填充的复合材料的强度比同样材质的平直纤维的大。例：SiC晶须哑铃型晶须及其制备方法SiO2+C