仿生材料奇妙应用

仿生材料的奇妙应用第一页，共49页。陆昳睿王梓郡徐可薇麦合木提阿依布勒阿依布勒仿生材料仿生材料第二页，共49页。阿依布勒仿生材料仿生材料仿生高强度、高硬度材料仿蜂窝复合材料仿贝壳材料仿竹材料第三页，共49页。蜜蜂构筑的六角型蜂巢结构比任何圆形或正方形的结构更强有力，能承担来自各方的外力；且这种蜂窝结构是蜜蜂采用最少的蜂蜡建造成的。仿蜂窝复合材料受蜂窝的启示，蜂窝复合材料问世，它是一种新型材料，它质轻、强度大、刚度高，具有缓冲、隔热和隔音等功能，被广泛应用于航空工业，建筑业、家具制造、包装和运输业，具有较高的经济价值，并可回收利用。同时可节约大量的森林资源，保护和改善生态环境，是一种符合21世纪发展主题的环保新型材料。

Ref:关世伟，蜂窝结构材料，ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse第四页，共49页。

1．在航天上的率先使用从上世纪30年代最早的用于制造飞机的夹层结构的六角型铝蜂窝芯，到70年代美国波音公司的Boeing747飞机率先使用非金属的蜂窝复合板作为飞机的地板，到如今，蜂窝复合材料已在飞机、火箭及太空飞船等航空航天器上得到广泛的使用。

仿蜂窝复合材料第五页，共49页。

2．应用于家具板材传统的家具都是用木材制作的，这样无疑会消耗巨大的木材资源，导致资源日益减少，而以蜂窝纸芯为基础的蜂窝结构板的基础材料，在两面复合传统的木质面层，从而减少木质材料的使用量。特点：省材料，强度大，质轻仿蜂窝复合材料第六页，共49页。3．应用于包装材料（蜂窝纸芯复合板）1）强度高。一克重的蜂窝状纸能承受800克的重力不变形，是五层瓦楞纸板的20-75.6倍。仿蜂窝复合材料2）承重大。10mm厚的蜂窝纸芯复合板承重为0.5～3吨/平方米，是五层瓦楞纸板的2～10倍，可以替代实木板。包装重物的范围从几公斤到几千公斤之间，如果是外面复合纤维板、三合板的蜂窝纸板，甚至可承载十几吨的超重商品3）弹性、防震性能好。

质轻强度大，刚度高节省材料，可回收利用第七页，共49页。贝壳珍珠层是一种天然的无机-有机层状生物复合材料，由碳酸钙(约占95%)和少量有机基质(约占5%)组成。整个贝壳体系的抗张强度是普通碳酸钙的3000多倍。这种良好的力学性能归因于珍珠层独特的微观结构。仿贝壳材料以碳酸钙薄片为“砖”，以有机介质为“泥”，形成多尺度、多级次的“砖-泥”组装结构。一方面，有机基质犹如水泥一样，碳酸钙薄片牢牢的黏结在一起。另一方面，这样的特殊结构可以有效地分散施加于贝壳上的压力。Ref：孙娜，吴俊涛，江雷，贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展，高等学校化学学报，2011年10月第八页，共49页。层状陶瓷基复合材料，模拟了自然界中贝壳的珍珠层的复合结构。采用层状结构，在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料，制成层状复合材料。如常选用高强、高硬的陶瓷（如Si3N4、AI2O3、SiC等）来模拟珍珠层中的硬层，选用硬度较低、弹性模量较小的陶瓷（如BN、石墨等）或金属（如AI、Ni、W等）模拟珍珠层中的软层，最终制得“砖-泥”结构高强韧复合材料。仿贝壳材料——层状陶瓷基复合材料Ref:李冬云，乔冠军，金志浩.层状复合陶瓷材料的研究进展.[J]无机材料学报.第九页，共49页。竹子具有良好力学性能的生物体。它强度高、弹性好、性能稳定,而且密度小(只有0.6～1.2g/cm3)，虽然钢材的抗拉强度为竹材的2.5～3.0倍,但钢材的密度却为竹材的10倍左右,因此,按比强度计算,竹材的比强度比钢材高出3～4倍。仿竹材料Ref:马建峰,陈五一,赵岭，基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计

，机械设计第25卷第12期2008年12月第十页，共49页。有学者据竹子微观结构提出仿生纤维模型如图，实验表明其压缩变形要比普通纤维高3倍以上。受其多层、渐变概念的启发,为纤维增强金属基复合材料设计的多层梯度界面模型是过渡层/阻挡层/润湿层,碳纤维/Al复合材料实验结果表明,其高温强度比未仿生的高出5倍以上.仿竹材料清华大学的学者依据竹材中微纤维别具特色的层次结构，提出仿生的纤维双螺旋模型，实验表明其压缩变形功比普通纤维的提高3倍；根据竹材外密内疏的结构特性，有学者制备了SiC包裹碳纤维的梯度基复合材料，发现这种材料密度低、力学性能优良、抗氧化功能突出。第十一页，共49页。陆昳睿王梓郡徐可薇麦合木提阿依布勒仿生材料仿生材料麦合木提第十二页，共49页。实例（性质+应用）蜘蛛丝跳蚤节肢蛋白壁虎纤维刚毛麦合木提仿生高韧性材料仿生材料仿生材料第十三页，共49页。材料密度/GPa强度/GPa刚度/GPa延展性/%韧性/MJm^-3蜘蛛丝1.31.11027180桑蚕丝1.30.671870弹性蛋白1.30.0020.01152尼龙1.10.9551880芳纶1.43.61302.750钢7.81.52000.86羊毛560碳纤维1.843001.325

高比强度

优异弹性

超高韧性○航天○军事○建筑○医学蜘蛛丝的高韧性性质应用第十四页，共49页。性质应用

能量可迅速释放

弹性最强的物质之一

回弹效率高○航母弹射器跳蚤的节肢蛋白第十五页，共49页。性质应用

范德华力

体积微型，数量庞大

可逆粘附○“壁虎带”粘合剂微型机器人壁虎的纤维刚毛第十六页，共49页。性质应用

范德华力

体积微型，数量庞大

可逆粘附○“壁虎带”粘合剂微型机器人壁虎的纤维刚毛第十七页，共49页。壁虎脚掌示意图第十八页，共49页。壁虎在脱黏过程中刚毛的角度十分重要，唯有在某个临界角度下刚毛才能轻易脱黏。经过大量实验研究，人们得到该临界角约为30度左右第十九页，共49页。英国科学家Geim等仿照壁虎脚掌刚毛制造出的“蜘蛛侠”玩具第二十页，共49页。美国斯坦福大学在2006年研发出一种仿壁虎机器人，称之为“粘虫”(Stickybot)我国南京航空航天于2011年研发出的“大壁虎”机器人第二十一页，共49页。在《蜘蛛侠2》里有个镜头，蜘蛛侠用蜘蛛丝duang地一下拉住了火车，在电影里这显然是加了特技，常人看来不可思议。但是，根据蜘蛛丝特性，这确实是可以的高韧性仿生材料第二十二页，共49页。陆昳睿王梓郡徐可薇麦合木提阿依布勒仿生材料仿生材料王梓郡第二十三页，共49页。王梓郡仿生材料仿生材料想像：请大家设想这样一副场景第二十四页，共49页。自清洁材料第二十五页，共49页。接触角大于150度，滚动角小于10度超疏水效应荷叶表面的水滴视频：http://第二十六页，共49页。

超疏水的荷叶和表面结构（a)球形的水滴滴在荷叶表面（b)荷叶表面大面积的微结构（c)荷叶表面单个乳突（d）荷叶表面的纳米结构出淤泥而不染，濯清涟而不妖。--宋.周敦颐《爱莲说》超疏水的荷叶表面第二十七页，共49页。荷叶表面的扫描电镜照片，其表面微纳米的二级阶层结构Ref:Lin;Li,Shuhong;Li,Yingshun;Li,Huanjun;Zhang,Lingjuan;Zhai,Jin;Song,Yanlin;Liu,

Biqian;

Jiang,

Lei;

Zhu,

Daoben.

Advanced

Materials,2002,

14

(24),

1857-1860荷叶超疏水效应原理第二十八页，共49页。新应用：沙漠集水器第二十九页，共49页。

沙漠集水第三十页，共49页。超疏水性自清洁涂料防冰雪涂料第三十一页，共49页。陆昳睿王梓郡徐可薇麦合木提阿依布勒仿生材料仿生材料陆昳睿第三十二页，共49页。陆昳睿仿生材料仿生材料第三十三页，共49页。Ref:Fracture-mechanicsstudiesofcrackhealingandweldingofpolymers.JMaterSci,1981,16:204-210自愈合:无外界作用的情况下，自我恢复的能力自诊断能力:受到外界作用产生裂纹或损伤时能做出某种响应自修复功能:感受到损伤后，愈合剂开始进行修复，完成材料性能和结构的恢复仿生自愈合材料陶瓷金属聚合物混凝土第三十四页，共49页。Ref:NATURE|VOL409|15FEBRUARY2001|794微胶囊法第三十五页，共49页。Ref:10June2007;doi:10.1038/nmat1934毛细血管网络法第三十六页，共49页。混凝土封装外部供应系统中空纤维微囊法膨胀剂矿物质混合细菌记忆合金基体Ca碱性硅酸盐溶液Ca-Si凝胶树脂Ref:ConstructionandBuildingMaterials28(2012)571–583第三十七页，共49页。多数自愈合凝胶都是通过非共价键或可逆共价键来实现其自愈合性能的。从本质上来说,可逆动态共价键都属于动态建构化学。(constitutionaldynamicchemistry,CDC)通过交联点的破坏和再形成而使应力得到释放非共价键主客体作用π-π堆叠可逆共价键D-A反应亚胺键酰腙键氢键高分子凝胶自愈合第三十八页，共49页。Ref:Macromol.RapidCommun.2011,32,1253–1258氢键相互作用、π-π堆叠、阳离子-π相互作用、静电相互作用等“聚电解质效应“形成凝胶的三维网络结构。聚电解质自愈合凝胶第三十九页，共49页。Ref:Macromolecules,Vol.43,No.3,2010酰腙键Ref:Chem.Eur.J.2009,15,1893–1900Appl.Mater.Interfaces,2009,1(7),pp1427–1436Diels-Alder反应第四十页，共49页。陆昳睿王梓郡徐可薇麦合木提阿依布勒徐可薇仿生材料仿生材料第四十一页，共49页。仿生薄膜材料徐可薇仿生材料仿生材料第四十二页，共49页。从生物膜谈起生物膜的物质组成生物膜的结构生物膜的功能第四十三页，共49页。生物膜的研究价值

——为什么要人工模拟生物膜？研究制备创新长期进化完美结构独特功能仿生薄膜材料第四十四页，共49页。仿生薄膜材料的应用作为生物膜研究的模型作为生物活性分子的分离膜处理工业废水第四十五页，共49页。用途一：作为生物膜研究的模型

为什么要构建模型？如何构建模型？构建模型的意义是什么？第四十六页，共49页。用途二：生物活性分子的分离膜实现核心：相容性举例：磷脂改性高分子聚合膜可用于分离蛋白质等生物活性物质猜想：如果将能够识别海洛因、吗啡等毒品的磷脂分子引入分离