仿生复合材料

.,仿生复合材料,.,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。,.,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一些灵感（如，雷达的产生），甚至直接套用生物结构（如，锯齿）。,.,仿生学应用举例,模仿白暨豚头部造型的电动车,.,生物材料,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结构与形态。所有这些均可作为人们进行材料仿生研究的参考。,.,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。如，木材宏观结构：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。,.,木材宏观结构,木材微观结构,.,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。,.,树的枝桠,枝桠处的纹理,.,仿生学=生物结构+工程技术生物结构+复合材料技术=,.,仿生复合材料,仿生复合材料（bionicscomposite）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,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。生物材料机理分析的任务就是从材料科学的观点对其进行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象，找出有用的规律来指导复合材料的设计和研制。,.,仿生复合材料,例如，几乎所有的植物纤维细胞都是空心的、多层的，而且往往是分叉的。以CVD法制备的仿生空心石墨纤维的强度与柔韧性均较实心者为佳。按照仿竹结构提出了一种碳纤维增强树脂的优化模型。实验结果表明，仿竹材料的平均弯曲强度比具有同样数量基体和增强纤维，但分布均匀者提高81%，最优者高出103%。仿生复合材料不仅可以参照生物体的结构来设计优良的结构用材料，同时也可仿效其功能发展功能材料。,.,复合材料的结构仿生,生物材料中螺旋的增韧作用竹层的结构：维束管：增强体（包括筛管和韧皮纤维。实际上，韧皮纤维承担了绝大部分载荷。）薄壁细胞：基体,.,复合材料的结构仿生,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310，薄层为3045。）,.,竹纤维的结合方式,.,仿生螺旋纤维增强材料,用仿生双螺旋玻璃纤维增强环氧树脂，所得层合板具有较好的断裂韧性和抗扭强度。采用螺旋碳纤维制成的复合材料具有高的抗拉强度和冲击韧性。,.,结构仿生举例,鲨鱼皮微观结构,仿鲨鱼皮结构的泳衣,.,结构仿生举例,仿金恐龙鱼的未来盔甲在未来战场上出现的士兵可能身穿一层与一种非洲鱼“外衣”类似的防弹盔甲。这种非洲鱼名为塞内加尔多鳍鱼，俗称金恐龙鱼，已经有近1亿年的历史。目前，美国陆军已向麻省理工学院的工程师提供资金，揭开构成每个鳞片的多层材料如何排列进而保护这种远古时代的鱼免遭捕食者之口的秘密。研究人员在2008年夏季报告了他们的发现，并计划将发现应用到结构材料研制上，例如为士兵开发防弹盔甲。,新概念鱼鳞式盔甲,金恐龙鳗鱼,.,复合材料的功能仿生,1.超疏水界面仿生自然界中的超疏水,.,复合材料的功能仿生,（1）蝉翼不仅透明轻薄,而且其表面有非常好的超疏水性和自清洁性。蝉翼的厚度大约在810m,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80nm左右，纳米柱之间的间距大约在180nm左右。此外，纳米柱的高度大约在200nm左右,.,复合材料的功能仿生,（2）水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分别为161.02.7和2这样强的超疏水能力和不黏附的特性使荷叶产生了自清洁效应。荷叶表面由许多直径为59m的乳突构成,而每个乳突又是由平均直径为124.33.2nm的纳米结构分支组成。（参考,高雪峰，江雷.天然超疏水生物表面研究的新进展.物理）,.,复合材料的功能仿生,超疏水应用,可自洁的涂料,.,.,复合材料的功能仿生,2.自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，如，骨折的愈合，树木的结痂愈合。那么能不能研究出具有自愈性能的材料呢？,.,复合材料的功能仿生,英国工程与科学研究委员会的研究人员正在开发一种特殊的复合材料，这种材料在受到挤压或损坏时会“流出”树脂，有