复合材料论文.doc

ACTA METALLURGICA SINICA 仿生复合材料概论齐鹏飞 0900501331中国计量学院材料学院09材料3班，杭州 310018摘 要 自然界中每一种动植物，其每一种构造，每一种功能，无不是一种最佳构造。师法自然一直是人类世界对客观世界的最高追求， 人们对自然界的探究中，在材料学领域也形成了仿生复合材料这一新兴学科。本文旨在通过对其概念及研究内容、发展历史、设计与制备、应用前景等方面的阐述，浅易地介绍仿生复合材料。关键词 仿生复合材料“阴阳为碳兮万物为铜，天地为炉兮造化为工”，造物主的给我们创造了五彩缤纷的自然界，鬼斧神工，无不令我们瞠目结舌。从材料学的角度看，就万物而言，每一种构造，每一种功能也无不在自然界的无意或是有意的安排下，最终形成最佳构造。以竹子为例，从断面来看,有一种称之为纤维束的组织密布在竹子的表皮,竹子的内部却很稀少,这样的结构形成了一种高强度的复合材料。但是当竹子还是竹笋的时候,这种纤维束在竹笋的断面上是均匀分布的,随着竹笋的生长,纤维束逐渐向外侧移动。我们能不能从大自然获取灵感，从而师法自然，应用在我们对材料学的研究中呢？就这样，在我们人类的不断求索的过程中，一门新兴的复合材料仿生学便诞生了。复合材料仿生学是一本什么样的学科呢？本文将从仿生复合材料的概念及研究内容、发展历史、设计与制备、应用前景四大方面给出一个明确的答案。1 仿生复合材料的概念及其研究内容能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫；发电器瞬间发出800 伏的电压，足以电死一头大象的海鳗；可承受很高的海水压力而自由地生存着深海里有一种软体动物；能吐出防弹背心材料的强度还要坚韧20倍的蜘蛛；能够将海水中 的碳化钙结晶转化成强度2倍于高级陶瓷的贝壳的鲍鱼。他们没有金属、金刚石的坚硬，也没有工厂设备的绞尽脑汁的设计，从材料化学的观点来看，他们仅仅利用极少的几种高分子材料，但是他们所制造的从细胞到纤维直至各种器官却能够发挥如此多种多样的功能，简直不可思议！目前，在高分子化学世界里，我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料，具有多种多样的功能。但是，人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。“人法地，地法天，天法道，道法自然”，“师法自然”一直是人类世界对客观世界的最高追求，自然界中这些千奇百怪的材料组合，却形成如此强大功能的材料，怎么会不吸引无数科学工作者的孜孜以求。于是一门新的学科仿生材料在上个世纪应运而生。顾名思义，仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成。虽然，动植物自己身体所用的材料只是在有机系列里纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等细胞材料，但是其构造与组合却非常复杂。 当人们对这些生物现象以及生物本身的的物质组合有了充分的理解之后，把它们应用于材料科学技术方面，就形成了仿生材料学。因此，仿生材料学的研究内容就是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思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。 2仿生复合材料的发展上世纪二十年代年大不列颠百科全书中就有“BIONICS”（仿生）这个词，不过，仿生这个概念在当时更多出现的场景是在童话小说里面。经过科学多年的发展，知道1960 年 9 月 13日在美国召开了第一届仿生学研讨会，斯蒂尔博士（Dr. Jack Ellwood Steele）才在会上首次提出了仿生学（Bionics）概念，并对仿生学做了如下定义：仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。简言之，仿生学就是“模仿生物的科学”。目前合成高分子材料正朝着与木材、棉花、羊毛、蚕丝、天然橡胶等天然或者绿色材料相互协调的方向发展，随着科学手段的进步，现代仿生学已经进入了分子水平，从更微观的层次师法自然，通过对原先“熟悉”的天然材料进行再认识，从“仿生学”中汲取自己再发展的营养，将发现和找到材料新的性质和新的应用，得到具有高效、低能耗、智能响应和环境友好的仿生高分子材料。迄今为止，在复合材料的仿生设计方面已经开展了如下工作：一、复合材料形态仿生的研究：复合材料的形态仿生就是模仿生物材料的外观形态来进行复合材料的仿生设计，它们包括空心纤维 、哑铃形纤维 、珠链状纤维 、环形纤维 、分形树结构型纤维、螺旋纤维以及其它的异形纤维等来增强的复合材料。通过理论分析和实验验证，形态仿生的纤维增强复合材料具有比平直纤维增强的复合材料更高的强度和断裂韧性，可以利用管状纤维来研究复合材料的仿生愈合。二、复合材料结构仿生的研究：复合材料的结构仿生就是模仿生物材料的内部结构来进行复合材料的仿生设计，它们包括仿竹复合材料和仿贝壳珍珠层复合材料等同样结构仿生的复合材料也具有高的强度和断裂韧性,且某些还可能促进材料的损伤愈合。3 仿生复合材料的设计与制备由于结构的多样性和过程的复杂性，复合材料在实际的组织设计中很困难，幸运的是，生物体经过长期的演变，其结构非常合理优越，这些优良的结构指导人们进行复合材料的设计。在进行复合材料设计时，一些困难会经常遇到，如陶瓷纤维的脆性和相界面设计；碎短纤维拔出能的增长和裂纹长度急剧变大的矛盾；提高强韧度的问题；提高性价比的问题等。但是仿生的设计方法解决了一些问题。其实，仿生这个概念就是指以仿造生物或者植物的结构形态或者制造的方式，实现功能和性能。比如荷叶，荷叶是出污泥而不染的材料，他的表面是由微米和纳米组成的结构，如果我们仿造这种结构做成高分子涂料的表面，可以不粘水，也不粘污。还有仿造夹克虫背部的行为挖泥的斗，悉尼奥运会上用仿鲨鱼皮游泳衣，实际上也都是一种仿生概念所得到的仿生材料。例如，鸡蛋的壳内膜其实是非常有趣的一个现象，鸡蛋壳的内膜是不透水和透氧，细菌进不去，鸡蛋永远是有活力的，放一年以后还可以孵小鸡，同时外面细菌进不去，我们就可以通过对鸡蛋壳内膜的研究，来仿造他的结构发明出更加先进的保鲜材料。加州大学劳伦斯伯克利国家实验室生物分子材料研究项目负责人阿尔珀博士指出， 在过去10年内， 工程师们认识到可以从生物体那里学到很多有关新材料发明和器件制造的知识。 他指出，揭开生物学秘密需分两步走：首先，研究人员必须了解生物体的结构弄清生物体所表现出的机械特性是如何形成的；其次，专家们必须确定如何在实验室中发现或合成新材料， 使它们具有活体材料料的功能和特性。通过发现自然界生物体的奇妙现象激发我们的灵感，并且在实验室内实现对他的模仿并合成新型的材料，这就是仿生材料设计与制备的基本思路。4 仿生复合材料的前景未来 20 年，人们可望制备出高性能、低成本的仿生材料，仿生技术将在各种材料制备方面得到广泛应用。在仿生材料研究领域中，高分子仿生材料将是最重要的研究开发方向之一，主要包括了结构仿生高分子和功能仿生高分子两个部分。一、结构仿生高分子材料：1、仿造骨骼和动物牙齿的复合结构，制备超强度材料；2、仿造蜘蛛和蚕纺丝的成型过程，制备高强度的人工纤维；3、仿造自然界植物叶茎和动物肌肉纤维的二维网络结构，制备极高热稳定性梯形结构聚合物； 4、仿造自然界球型细胞膜的结构，制备纳米厚度的聚合物空心囊泡膜，用于研究和发展高效的生物微反应器；5、仿造动物螳螂肌肉中类似“弹簧”的截面形态，制备具有超长拉伸/高回弹性能的高分子弹性材料；6、仿造动物筋和植物茎杆的纵面梯度渐变形态，在光学透明聚合物纤维沿纤径方向上形成n 梯度渐变结构，可得到超宽频带特性；二、功能仿生高分子材料：1、仿造具有表面微米纳米二次表面结构的荷叶等植物的超疏水性质，制备相应的高分子仿生表面，得到可与荷叶相媲美的超疏水性质和所不具备的疏油特性， 可望应用于制备自清洁涂层材料； 2、仿造天然产物的高效制备和可自然降解的特性，通过基因改造，研究在生物体系中制备具有环境友好、可生物降解功能的高分子新材料或者高效合成手性分子；3、仿造生物在环境中的应变特性，制备在外场作用下具有快速响应功能的高分子和凝胶智能材料。另外，国家还有优先支持的方向，主要包括以生物材料表面结构为模板的仿生高分子表面研究，模拟生物材料多级形态的仿生高分子本体材料及其性能研究，模拟生物体系的仿生高分子材料的构效关系及其应变行为，与生物体系制备反应相似的高分子高效制备的科学问题探索等。仿生新材料的出现或许标志着一个新时代的到来，作为本世纪技术象征之一的石化塑 料及纤维将逐渐被仿生材料代替。对于走过石器时代、青铜 器时代、铁器时代的人们来说，虽然说石油时代将被仿生材料的时代代替还为时尚早，但有一点是明确的，从电子显微学到基因工程学等众多新技的高速发展使科学家得以知晓自然的深层奥秘，如果他们成功地得到一些控制自然过程的神奇因素，那么一个科一学革命时代的到来将指日可待！但是，尽管科研人员已取得了许多可喜的进展，仿生材料的前景也十分诱人，就仿生学的整体而言， 人类才刚刚起步，需要我们不断努力。参考文献1 徐坚等.仿生高分子材料研究的新进展.中国化工学会（IESC）2006 年年会2 计剑.仿生复合材料.高分子合成与功能构造教育部重点实验室3 达寒.仿生材料新时代J.材料科学,1997(7)4 健青.大自然的启示仿生材料方兴未艾J.中国青年科技 , 1997,(02)5 吕联合.大有可为的仿生材料学J.