仿生复合材料

仿生复合材料,当今材料学研究领域所面临的问题,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。,竹材表层的高强和高韧主要是由于竹纤维优越性能所致。结构特点：空心柱、纤维螺旋分布、多层结构结构优点：层间夹角避免物理几何的突变，改善相邻层间结合；增加外层厚度，降低少量正向刚度，切向刚度大幅度提高。,悉尼奥运会游泳比赛中，澳大利亚选手伊恩索普穿黑色连体紧身泳装，宛如碧波中前进的鲨鱼，劈波斩浪，一举夺得3枚金牌，而他身穿的鲨鱼皮泳衣也从此名震泳界。,北极熊的“卫兵”毛发，粗糙的外层保护底层细软绒毛免受恶劣自然环境破坏。虽然看上去是白色的，但它们实际上是透明的，每一根毛发都拥有中空结构，能够起到极好的保温隔热作用。,壁虎胶带,电镜显示,壁虎脚上有密集的刚毛,1mm2上约有5000根长度为30130m的刚毛,每只脚上就有近50万根刚毛,并且每根刚毛又有4001000根直径为0.20.5m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。,15,生物材料的特征,最小能量判据-化学反应发生在低（室）温-氢键,亲水/疏水相互作用-分级结构（分子组装）优化的性能（功能）-手性-液晶（取向）-对刺激的响应性生物循环圈-起始材料（C,H,O,Si）简单-可修复，可再生,16,生物材料的结构特征,分级结构（头发，木）纳米结构（荷叶，蝴蝶）膜结构,仿生材料,生物材料的特性,19,原理-向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物结构、特点和功能的新学科。仿生是方法结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结构，优化的结构等）功能（催化，传输过程，分子识别等）从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系，研发类似或优于生物材料的新材料,20,荷叶效应蝴蝶颜色叶绿素的光合作用生物膜结构与功能（植物细胞壁，类脂）腱，头发和木的分级结构骨和昆虫壳（皮）的纤维复合材料结构贝壳韧性（薄壳结构）蛛丝强度蜂窝结构的稳定性,复合材料的仿生设计和制备,外形,力学性能,截面,结构,特定的，不规则的外形，如：骨骼,力学性能的方向性如木、竹,截面宏观非均质,显微组元具有复杂的、多层次的精细结构。,复合材料的仿生设计,分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应,2,一、复合材料最差界面的仿生设计,复合材料的界面强结合可以实现力的理想传递，从而提高材料强度，但降低韧性。弱结合与之相反。最佳界面结合状态不稳定，在载荷作用下会偏离最佳点而变坏。仿生界面设计采用仿骨的哑铃型增强体和仿树根的分形树型增强体，通过基体和增大了的端头之间的压缩传递应力而对界面状态不提出特殊的要求。应力传递对界面状态不敏感，即使界面设计很差，也能满足要求而得到优良的性能。,二、分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应,二、分形结构,分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应,分形树结构纤维模型模仿的是土壤中的草根和树根。实验研究：纤维拔出的力和能量随分叉角变大而增高。,分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应,三、仿生螺旋的增韧作用,三、仿生螺旋的增韧作用,竹材表层的高强和高韧主要是由于竹纤维优越性能所致。结构特点：空心柱、纤维螺旋分布、多层结构结构优点：层间夹角避免物理几何的突变，改善相邻层间结合；增加外层厚度，降低少量正向刚度，切向刚度大幅度提高。,三、仿生螺旋的增韧作用,实验证实：将玻纤采用不同夹角进行分层非对称缠绕，并以环氧树脂黏结制样，进行压缩实验，强度降低38%，压缩变形增加200%以上。,四、仿生愈合与自愈合抗氧化,四、仿生愈合与自愈合抗氧化,生物体损伤自愈合材料的仿生自愈合材料得自然损伤-在空气中的氧化某些材料通过氧化后形成致密的氧化物保护膜,陶瓷/碳复合材料的自愈合抗氧化,多层涂层、梯度涂层虽然可以做到消除热应力引起的裂纹，但涂层受到外力损伤，容易失去抗氧化的功能。陶瓷/碳复合材料处于高温氧化性环境，表面首先碳化，形成陶瓷颗粒组成的脱碳层。脱碳层的陶瓷颗粒氧化增大体积或熔融浸润整个材料表面，氧气的扩散系数降低。,五、仿生叠层复合材料研究,五、仿生叠层复合材料研究,天然复合材料很好的强度和韧性与其特殊的微观结构关系密切。叠层结构是许多材料高断裂韧性的根源。叠层结构在断裂过程中的变化：a对裂纹的断裂起到偏转作用b裂纹的频繁偏转延长了裂纹的扩展路径c导致裂纹从应力状态有利方向转为不利方向d有机质发生塑性变形，降低裂纹尖端的应力强度因子，增大了裂纹的扩展阻力。,叠层复合材料,叠层复合材料性质,叠层复合材料珍珠层,39,增韧机理：有机基体纤维化的作用,40,增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构（稳定性好）,41,珍珠：砖墙结构和蜂窝结构,复合材料的仿生设计方法,复合材料的仿生设计方法,1.界面宏观拟态仿生设计,复合材料界面的作用：是增强物和基体连接的桥梁，同时也是应力及其它信息的传递者，界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能。生物材料体现出优良的载荷传递能力。纤维端部形成哑铃状的膨胀端来模仿动物骨的构造，如哑铃状的碳化硅晶须，延展性明显提高。分形结构的碳纤维增强环氧树脂，强度和韧性比普通纤维高50%。仿双螺旋韧皮纤维增强复合材料拟态,2.分子尺度的化学仿生,复合相界面的化学仿生和复合材料单体结构化学仿生。a界面化学键仿生b单体化学分子结构仿生,骨替代材料的化学仿生,3.微观晶体结构仿生,与分子尺度相比，晶体尺度的微结构仿生可以抛开物质构成成分的限制实现材料组分的微观仿生复合。珍珠由95%文石单晶与5%蛋白质多聚糖基体相互交替叠层形成，珍珠硬度为组成相的两倍，韧性为组成相的1000倍。珍珠的叠层微结构存在三种增韧机理：裂纹变形、纤维拔出、有机基体的桥联作用。,3.微观晶体结构仿生的应用,在树脂多层复合材料中，先加入晶须，用磁场将晶须定位，晶须在层间形成桥联。5层0.38mm厚的三氧化二铝和4层0.18mm厚的纤维增强环氧树脂条交替叠层而成。三点弯曲试验表明，其断裂功比单体三氧化二铝提高了80倍。模仿珍珠微观增韧结构并应用于陶瓷改性研究已取得很大进展。,4.制造工艺仿生,生物系统制造的非有机复合材料通过自身体液的矿化作用生成。人造复合材料是通过组成相的混合物在高温下进行热处理。磷灰石-金属基复合材料的制备仿生工艺：a.在生物环境下，提供能诱导磷灰石形成的表层b.模拟配置生物体液C.将商用Ti及其合金置于60，用一定浓度的氢氧化钠溶液进行24小时表面活化处理，在600高温下进行1h热处理，浸入生物体液。d.X射线与红外光谱测定表明，其无序的钛酸钠表面覆盖有状如薄片、含碳酸盐的类似骨骼的磷灰石晶体。,仿生方法评述,复合材料仿生的四类方法：宏观拟态仿生、微观晶体尺度仿生、分子尺度化学仿生、工艺仿生。仿生方法是先弄清楚生物复合材料的结构然后模仿，以达到性能相似的目的。,复合材料仿生制备的可行性途径,1）仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应2）用气相生长法制备树根状仿生碳纤维3）用分形树状氧化锌晶须的制备4）碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤维螺旋的制备新方法5）自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备6）制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术7）仿生叠层复合材料的制备,1）仿骨哑铃状碳化硅晶须的制备和增塑效应,仿生SiC的制备SiO+3CO-SiC+2CO2仿生SiC由直杆状晶须和珠状小球SiOx组成,仿生SiC晶须增强PVC,PVC片的强度有所降低，但塑性明显提高,2.用气相生长法制备树根状仿生碳纤维,以苯为碳源，铁为催化剂，氢为载气。将硝酸铁喷洒在陶瓷基板上干燥，将基板加热使硝酸铁分解为Fe2O3,氢气还原为铁，在1473K使碳纤维在基板上合成。,3.用分形树状氧化锌晶须的制备,氧化锌晶须形似草根，麦芒锌粉在水中研磨，然后沉淀烘干，灼烧制成样品。,碳纤维螺旋束的增韧效应和反向非对称仿生碳纤维螺旋的制备新方法,化学仿生,5.自愈合抗氧化陶瓷/碳复合材料的制备,碳材料的自愈合抗氧化是通过弥散在基体中的非氧化物陶瓷颗粒氧化成膜来实现的。选择合适的非氧化物组分、组成及粒度，使之在氧化气氛中能够生成黏度适中、相互湿润并对氧的扩散系数小的均匀、连续、牢固的玻璃相薄膜，是实现碳材料自愈合抗氧化的重要因素。氧气通过陶瓷边界和空隙向碳材料内部扩散的过程，也是碳材料实现自愈合的过程。这一过程越短越好。,6.制备内生复合材料的熔铸-原位反应技术,将原材料粉末加入金属熔体中，利用粉末元素间的放热反应，在金属熔体中直接反应生成所需的增强相，可制备出一系列颗粒增强的金属复合材料。,7）仿生叠层复合材料的制备,金属的选择和表面的预处理树脂的选择叠层材料的制备,陶瓷仿生工艺,在膜中生长粒子可得到形状和尺寸都可控的粒子，且粒子周围的有机层可防止团聚。在聚合物或凝胶基体上原位形成无机粒子可制备块状陶瓷复合材料。,仿生复合材料的应用,人造骨骼叠层状陶瓷、纤维增强铝合金胶结层板、钢板叠层复合材料薄层陶瓷材料水泥,78,1.塑料涂层(学习对象：鲨鱼),细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多高，他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上。事实上，美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁长达一亿多年。与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼布伦南带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌的涂层材料。,十大仿生技术,79,2.音波手杖(学习对象：蝙蝠),这听上去就像一个糟糕玩笑的开头：一位大脑专家、一位生物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发生在英国利兹大学，几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手杖(Ultracane)的问世：这是一种盲人用的手杖，在靠近物体时会振动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样的感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波脉冲，并等待它们返回。当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表明附近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不仅可以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶的事物，比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正试图利用同样的技术，开发出适销对路的产品。,80,3.新干线列车(学习对象：翠鸟),日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合每小时193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治(EijiNakatsu)介入了这件事。发现新干线列车总在不断推挤前面的空气，形成了一堵“风墙”。当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水一样“穿透”隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类翠鸟的行为。翠鸟生活在河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀子一样，瞬间穿越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安静地离开隧道。事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出15%。,81,4.风扇叶片(学习对象：驼背鲸),美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克费什(FrankFish)教授表示，他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到，驼背鲸的鳍状肢可以从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起，它们在水下可以令鲸鱼轻松在海洋中游动。但是，根据流体力学原则，这些隆起应该会是鳍的累赘，但现实中却帮助鲸鱼游动自如。于是，费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞，看它挑战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得状肢更符合空气动力学原理。费什发现，它们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成鳍不同部分，就像是刷毛穿过空气一样。费什的发现现在叫做“结节效应”(tubercleeffect)，不仅能用于各种水下航行器，还应用于风机的叶片和机翼。根据这项研究，费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片，令其空气动力学效率比标准设计提升20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片，不久将开始申请使用其节能技术，用以改善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为，在风力涡轮机的叶片增加一些隆起，将使风力发电产业发生革命性变革，令风力的价值比以前任何时候都重要。,82,无叶片的风扇,83,5.在水面行走的机器人(学习对象：蛇怪蜥蜴),蛇怪蜥蜴常常被称为是“耶稣蜥蜴”，这种称呼还是有一定道理的，因为它能在水上走。很多昆虫具有类似本领，但它们一般身轻如燕，不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因为它能以合适的角度摆动两条腿，令身体向上挺、向前冲。2003年，卡内基梅隆大学的机器人技术教授梅廷斯蒂(MetinSitti)正从事这方面的教学工作，重点是研究自然界存在的机械力学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力学案例时，他深受启发，决定尝试制造一个具有相同本领的机器人。这是一项费时费力的工作。发动机的重量不仅要足够的轻，腿部还必须一次次地与水面保持完美接触。经过几个月的努力，斯蒂和他的学生终于造出第一个能在水面行走的机器人。尽管如此，斯蒂的设计仍有待进一步完善。这个机械装置偶尔会翻滚，沉入水中。在他克服了重重障碍以后，一种能在陆地和水面奔跑的机器人便可能见到光明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质，甚至在洪水期间帮助营救灾民。,84,6.太阳能电池板(学习对象：马勃菌),橙黄色的马勃菌海绵(puffballsponge)并不多见，它基本上是一种生活在海底的“碰碰球”。马勃菌海绵并没有任何的附肢、器官、消化系统和循环系统，无时无刻不在过滤水体。然而，这种并不招摇的生物或许会是未来技术革命的催化剂。马勃菌海绵的“骨骼”是由众多格子状的硅钙物质构成，事实上，它类似于我们用以制造太阳能电池板、微芯片和电池的材料，但有一点不同：我们在制造这些材料时需要大量能量和各种各样的有毒化学物质。马勃菌海绵显然在这方面做得更好：它们只要向水中释放特殊的酶，从中吸收硅钙，就能把这两种化学物质变成需要的外形。美国加州大学圣巴巴拉分校生物技术教授丹尼尔摩斯(DanielMorse)研究了马勃菌海绵酶的特性，并在2006年成功进行了复制。他通过清洁、效率很高的海绵技术制出大量电极。当前，多家公司将投资数百万美元创建一个企业联盟，将类似产品推向市场。几年以后，当太阳能电池板忽然出现在美国每家每户的屋顶上，微芯片只卖几美元的时候，千万不要忘了感谢让这一切成为现实的不起眼的马勃菌。,85,7.多刃锯(学习对象：树蜂),树蜂屁股上两根像鞭子一样的大大的针状物。它们不是刺儿，而是“钻头”。树蜂利用这些针状物(有时比整个身体还长)在树上钻洞，然后在里面“寄存”幼仔。多年来，生物学家一直不清楚树蜂“钻头”的用法。与需要外力的传统钻洞方法不同，树蜂可以从任何角度毫不费力地钻洞。经过几年的研究，科学家最终发现，树蜂的两根针状物可以深入木头，然后像拉链一样锁起来锯东西。英国巴斯大学的天文学家认为，树蜂的“钻头”在太空大有用武之地。长久以来，科学家为了在火星上寻找生命，他们必须在火星表面凿洞。但是，在几乎没有重力的火星环境下，他们不清楚是否能找到可以在坚硬表面凿洞的压力。受树蜂的启发，研究人员设计出一种一侧有多余刀刃的锯子，让它们像树蜂的“钻头”一样互相推。从理论上讲，这套装置可以用于在无任何重力的流星的表面凿洞。,86,8.X光透视机(学习对象：龙虾),X光透视机大而笨重是有原因的，与可见光不同，X光不喜欢弯曲，所以难以操作。我们对机场包裹以及医院患者进行扫描的唯一途径是，用一连串放射物同时轰击他们这便需要仪器的个头很大。但是，生活在水下300英尺(约合90米)处的龙虾却具有“X光视线”，而且性能远远超过我们的X光透视机。与人眼(必须由大脑解读所折射的图像)不同，龙虾可以直接看到反射的图像，将其聚焦于某一个点，全部在此聚集以后形成图像。科学家多年来就试图找到“偷学”龙虾这种技巧的方法，用于制造新型的X光透视机。“龙虾眼X光成像仪”(LEXID)是一种便携式“手电筒”，可以看穿3英寸(约合8厘米)厚的钢板。这套仪器可以射出一串细细的低功耗X光穿透物体，无论碰到什么东西，都会在另一端恢复原状。正如在龙虾的眼睛一样，返回的信号通过小管中转生成图像。美国国土安全部已投资100万美元用于“龙虾眼X光成像仪”的研发，希望用它去探测违禁物品。,87,9.保存疫苗(学习对象：还魂植物和水熊虫),当事情不妙的时候，装死显然是不错的选择。这是大自然两种最具耐力的生物还魂植物和水熊虫的座右铭。科学家或许会利用这两种生物的惊人生物化学特性，用于拯救发展中国家的数百万条生命。还魂植物(Resurrectionplan)是指在干旱时节枯萎，看上去枯死一样的沙漠苔藓。可一旦下雨，它们会再次生机勃发，好像一切都没有发生似的。水熊虫具有类似的