仿生材料学的研究现状及应用.ppt

仿生材料的研究现状及应用 1 研究背景及意义2 仿生材料的原理3 仿生材料学的研究内容4 仿生材料研究现状及发展前景5 结论6 参考文献 4 仿生材料研究现状及发展前景4 1仿生材料学研究现状4 1 1根据生物材料的优良特征进行仿生研究4 1 2仿生材料设计及制备4 2仿生材料学发展前景5 结论6 参考文献 4 1仿生材料学研究现状 材料科学技术与生物技术 信息技术和能源技术一起成为现代社会文明发展的四大支柱 国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始于20世纪80年代 目前 国际上一流大学都已把生物材料放在优先发展的地位 中国自1988年中国生物无机化学家王夔院士和材料学家李恒德院士将生物矿化的概念介绍到国内后 中国的生物矿化研究开始逐渐形成规模 其中很重要的一个方面就是在学习矿化材料合成方法的基础上 研究并实施新的材料制备策略 4 1仿生材料学研究现状 中国生物与仿生材料研究者在这一领域已取得国际瞩目的研究成果 深入进行这些工作的一个重要前提就是表征天然生物矿物的分级结构及探索生物矿化的基本机理 仿生材料的发展日新月异 它已成为生物科学 材料科学 医学 矿物学 化学等众多学科的研究热点 并在各领域取得了一定的进展 4 1 1根据生物材料的优良特征进行仿生研究 1 根据复合特征研制复合材料 地球上的生物材料几乎都是复合材料 其优良的性能靠其简单组分的复合来保证而且生存下来的生物大都符合环境要求 并成功地达到了优化水平如骨骼是由轻基磷灰石和骨纤维构成的复合材料 不仅强度高 而且韧性也较好 4 该特征的研究将推动对材料的微观和宏观优化设计 4 1 1根据生物材料的优良特征进行仿生研究 2 根据功能适应性研制自组装 智能化材料 不论从形态学还是力学的观点看 生物材料都是极其复杂的 这种复杂性是长期自然选择的结果 是由功能适应性决定的 5 树木通常生长挺直 一旦倾斜 偏离了正常位置 便在高应力区产生应力木 恢复正常位置困 这说明树木具有反馈功能和自我调节作用 如智能水槽 不怕水泡的橱柜 传感器材料等 4 1 1根据生物材料的优良特征进行仿生研究 3 根据自愈合性研制生命材料 生物体的显著特点是具有再生机能 即受到损伤后 机体能自行修补创伤 如骨折发生后 裂口附近的骨内膜和外膜开始增生和加厚 成骨细胞大量生长 形成骨痴 在成骨和破骨细咆作用下将骨痴逐渐变成正常骨川 该特性的研究将为人们设计有生命材料提供参考对象 4 1 1根据生物材料的优良特征进行仿生研究 4 生物材抖的合成技术 在自然界环境中 50 50摄氏度 生物体能够合成目前人们无法合成的材料 如蜘蛛在常温下水溶液中把可溶性蛋白质变成不溶性蛋白纤维束 而且其强度很高 目前人们要合成高强度聚乙烯纤维不仅用浓酸 而且温度也较高 做出的纤维强度还抵不上蜘蛛丝 既费能源 又污染环境 相比之下 自然界的合成技术是多么情美绝伦 再如因此研究生物界的合成技术 对充分利用自然资源 保护环境有重大的意义 4 1 2仿生材料设计及制备 1 仿竹复合材抖的优化设计 天然竹材是典型的长纤维增强复合材料 其增强体维管束的分布不均匀 外层致密 体内逐步变疏 竹干的机械性能 如拉伸 弯曲和压缩强度和模量 随径向的分布一般是在外层高 内层低 这砷设计与竹主要受风或雪等引起的弯曲载荷相对应 竹材的结构符合以最少的材料和结构发挥最大效能的原理 实验表明 仿竹结构复合材料比不仿生材料的弯曲强度高81 以上 4 1 2仿生材料设计及制备 2 仿植物纤维微观结构的增强体和复合材料界面的优化设计 生物体中纤维的层次结构别具特色 如竹纤维包含多层厚薄相间的层 每层中的微纤丝以不同升角分布 厚层为3 100 薄层30 450相邻层间升角逐渐变化 避免了几何和物理方面的突变 层间结合大为改善 据此提出仿生纤维模型如图1b 川 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 6 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 4 1 2仿生材料设计及制备 3 仿动物骨骼哑铃型增强体的优化设计 动物长骨的外形为中间细长两端粗大 并圆滑过渡到中部 避免了应力集中 有利于应力转递 减缓压应力的冲击 与肌肉相互配合 使肢体持重比提高 受此启发把短纤维设计成哑铃状 经过理论计算 可得到端球与纤维半径的最佳比值 该模型用模型材料得到了较好的证实 其强度提高了1 4倍 4 1 2仿生材料设计及制备 4 仿树根纤维形态的优化设计 受树及草根对堤坝加固作用的启发 提出了分形树纤维模型如图2 可从理论推导出一级分叉时的最大拔出力p和拔出功p 与无分叉之比 4 1 2仿生材料设计及制备 5 仿自愈合过程进行材料内部损伤的修复 受到损伤后 生物体的内分泌系统分泌出一些物质进行填充 愈合或局部再生 而人造材料就不能 二者的差别在于一个是开放耗散系统 一个是封闭系统 生物体自愈合本质就是开放体系和周围环境进行物质和能量交换 并进行自组织的过程因此要使人造材料愈合 必须造就一个开放体系即供给它梅质和能量 中科院金属所已在铝合金 碳纤维增强铝复合材料短纤维树脂基复合材料及高温合金叶片等材料和器件上进行了仿生愈合的研究 16 其效果令人振奋 伤口愈合后疤痕图 4 1 2仿生材料设计及制备 6 仿贝壳结构新型材料的制备 鲍鱼壳的结构给人们很多启示 英国化学工业公司采用仿生结构 使siC的破断功提高10倍 浙江大学采用仿生多层结构 使A1203室温和高温强度不变 断裂韧性从4提高到7 6MP材而 使氮化硅陶瓷的断裂韧性提高了30 50 7 美国普林斯顿大学正在探索使用新型的多层复合材料制作坦克的装甲 鲍鱼可以利用简单的白至 CaCO3 产生超硬的贝壳 在SEM下观察鲍鱼贝壳发现 它与灰抹砖墙结构很相似 一层层超薄的碳酸钙象砖一样由不到亿分之一米厚的有机蛋白基质连接在一起 使它的强度与高级陶瓷不相上下 但没有陶瓷的脆性圈 4 2仿生材料学发展前景 4 2 1材料的发展趋势是复合化 智能化 能动化 环境化 而仿生材料具有这几方面的特征仿生材料学涉及面如此之广 它的发展或成功将影响到社会的各个角落 1 对人体器官的置换带来变革及对生物体系统可人为地改良 基质材料 2 将对材料的制备及应用带来革命性的变化 如利用生物合成技术在常温常压水介质中完成目前必须在高温高压恶劣环境中才能合成出的产品 而且能够使材料自愈合化 智能化和环境化等 3 这些将极大地改变人类社会的面貌 对国家的国防及综合国力的提高是至关重要的 因此政府给予足够的重视 4 2仿生材料学发展前景 4 2 2仿生材料的应用前景生物纳米材料科学已展示出激动人心的前景 此领域最终目标是在纳米水平制造功能性生物材料 骨组织工程细胞外基质材料都有各自的优缺点 天然衍生材料作为骨组织工程的支架材料 具有生物相容性好 能够形成与人骨类似的多孔结构 其降解产物易于被吸收而不产生炎症反应等优点 但也存在着力学性能差 难以加工成形 降解率与成骨速率不协调 使用高毒性和挥发时间长的溶剂 加工过程劳动强度大 高分子基质中残留粒子 不同批次的产品质量不统一等缺点 影响了组织工程的研究和其产品在临床上的应用 如果能够制造出随着速度的提高而改变形状的船舶或飞机 那么就能用最少的能量达到最高的速度 因此 研究大象改变体形的机制有可能为寻找这类材料找到线索 5 结论 一 仿生材料学研究的方法论 6 1明确目标材料存在的问题 2 在自然界寻找相关的材料体系 并研究其内部结构 性能的规律 发现其实质 直接或间接地获得灵感 启发我们的思想 建立模型并进行定量计算 3 提出新材料模型 优化材料设计 并用模型材料验证理论模型 4 实际制备新材料 若发现问题 进一步仿生 完善所提模型 并据此制备材料 如此反复 直到可应用于实际工程中 从以上可看出 仿生材料学不是教条式的思维 而是一个非常灵活的实践提高和再实践的过程 二 仿生材料学尚处于摸索时期 各领域有待开拓 目前付诸实施的工程十分有限 但有一点可以明确 如果科学家们能够找到一些控制自然过程的神奇因素 那么一个科学变革时代的到来将指日可待 参考文献 1 马祖礼 生物与仿生 夭津科技出版社 19842 葛明桥 材料学科研究的新领域 仿生材料 南通工学院学报 20004 TateishT ibid 1988