仿生复合材料

1、2021/3/10讲解：XX1 仿生复合材料 2021/3/10讲解：XX2 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。 2021/3/10讲解：XX3 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）。 2021/3/10讲解：XX4 仿生学应用举例 模仿白暨

2、豚头部造型的电动车模仿白暨豚头部造型的电动车 2021/3/10讲解：XX5 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。 2021/3/10讲解：XX6 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。 2021/3/10讲解：XX7 木材宏观结构 木材微观结构 2021/3/10讲解：XX8 生物材料的功能适应性 无论是从

3、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。 2021/3/10讲解：XX9 树的枝桠 枝桠处的纹理 2021/3/10讲解：XX10 仿生学=生物结构+工程技术 生物结构+复合材料技术= 2021/3/10讲解：XX11 仿生复合材料 仿生复合材料（bionics composite ） 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

4、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。 2021/3/10讲解：XX12 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。 2021/3/10讲解：XX13 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

5、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。 2021/3/10讲解：XX14 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 2021/3/10讲解：XX15 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。） 2021/3/10讲

6、解：XX16 竹纤竹纤 维的维的 结合结合 方式方式 2021/3/10讲解：XX17 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。 2021/3/10讲解：XX18 结构仿生举例 鲨鱼皮微观结构鲨鱼皮微观结构 仿鲨鱼皮结构的泳衣仿鲨鱼皮结构的泳衣 2021/3/10讲解：XX19 结构仿生举例 仿金恐龙鱼的未来盔甲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。

7、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。 新概念鱼鳞式盔甲新概念鱼鳞式盔甲 金恐龙鳗鱼金恐龙鳗鱼 2021/3/10讲解：XX20 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 2021/3/10讲解：XX21 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

8、。这些纳米柱的直径大约在80 nm左右， 纳米柱之间的间距大约在180 nm左右。此 外，纳米柱的高度大约在200 nm左右 2021/3/10讲解：XX22 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） 2021/3/10讲解：XX23 复合材料的功能仿生 超疏水应用 可自洁的涂料可自洁的涂料 2021/3/10讲解：XX24 2021/3/10讲解：XX25 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？ 2021/3/10讲解：XX26 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，有效 形成可修复受损处的“痂疤”。这项创新 可能会显著提高航空安全，同时激励