防生材料模板知识讲解

1、防生材料模板 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的人工材料。什么是什么是仿生材料仿生材料仿生材料发展的依据仿生材料发展的依据 天然生物材料的分级结构和功能的研究是仿生材天然生物材料的分级结构和功能的研究是仿生材料发展的依据。料发展的依据。 因为天然生物材料具有其环境及功能需要的复杂因为天然生物材料具有其环境及功能需要的复杂超结构组装，其表现出的优异强韧性、功能适应超结构组装，其表现出的优异强韧性、功能适应性及损伤愈合能力，是传统人工合成材料无法比性及损伤愈合能力，是传统人工合成材料无法比拟的。（如贝壳、蚕丝、骨骼等）拟的。（如贝壳、蚕丝、骨骼等） 甲壳虫可以将糖及蛋白质转化为质轻然

2、而强度很甲壳虫可以将糖及蛋白质转化为质轻然而强度很高的坚硬外壳；高的坚硬外壳； 蜘蛛吐出的水溶蛋白质在常温常压下竟变成不可蜘蛛吐出的水溶蛋白质在常温常压下竟变成不可溶的丝，而丝的强度却比防弹背心材料还要坚硬溶的丝，而丝的强度却比防弹背心材料还要坚硬； 鲍鱼能够利用海水中的白垩结晶形成强度两倍于鲍鱼能够利用海水中的白垩结晶形成强度两倍于高级陶瓷的贝壳。高级陶瓷的贝壳。 海鳗的发电器瞬间可以发出海鳗的发电器瞬间可以发出800800伏的电压伏的电压, ,足以电死一头大象足以电死一头大象, ,但是它的发电器不是金但是它的发电器不是金属等导电器材属等导电器材, ,而是蛋白质的分子集合体而是蛋白质的分子集

3、合体; ; 深海里有一种软体动物深海里有一种软体动物, ,其身体无疑也是由其身体无疑也是由细胞材料所构成细胞材料所构成, ,但是却可承受很高的海水但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。压力而自由地生存着。 因此，若是能模仿这些动物或植物的结构、形态因此，若是能模仿这些动物或植物的结构、形态、功能和行为或从中得到启发来解决人类所面临、功能和行为或从中得到启发来解决人类所面临的一些技术问题，这将会推动我国经济和社会实的一些技术问题，这将会推动我国经济和社会实现跨越式发展。现跨越式发展。 因此，材料科学工作者因此，材料科学工作者正正试图试图揭示天然生物材料揭示天然生物材料的结构特征和形成机制的结

4、构特征和形成机制，从而应用于现代材料的，从而应用于现代材料的设计与制备。设计与制备。结构蛋白质结构蛋白质 蛋白质最重要的一种生物功能就是结构功能，蛋白质最重要的一种生物功能就是结构功能，比如动物的角、腱、韧带、蚕丝等。比如动物的角、腱、韧带、蚕丝等。 由结构蛋白质构成的生物材料，在材料形成过由结构蛋白质构成的生物材料，在材料形成过程中，生物体可以用基本相同的结构蛋白大分程中，生物体可以用基本相同的结构蛋白大分子（如纤维蛋白、胶原蛋白及多糖等）构造出子（如纤维蛋白、胶原蛋白及多糖等）构造出形貌和功能完全不同的材料系统。形貌和功能完全不同的材料系统。仿生物材料的结构与结构与性能生物软组织生物软组织

5、 生物软组织是由生物软组织是由多糖多糖和和蛋白质蛋白质复合而成的，如粘液、软体动复合而成的，如粘液、软体动物骨架、皮肤等。生物软组织物骨架、皮肤等。生物软组织的断裂韧性、刚度等性能及随的断裂韧性、刚度等性能及随环境的变化都是非生物材料难环境的变化都是非生物材料难以比拟的以比拟的。仿生物材料的结构与结构与性能 生物复合纤维生物复合纤维 软组织不能承受压缩、弯曲和剪切载荷，通软组织不能承受压缩、弯曲和剪切载荷，通过形成生物复合纤维，即层叠结构的生物组过形成生物复合纤维，即层叠结构的生物组织，使基体硬化，改善力学性能。织，使基体硬化，改善力学性能。仿生物材料的结构与结构与性能各种仿生材料及其作用各种

6、仿生材料及其作用 仿生增韧韧陶瓷材料 仿生弹性膜弹性膜材料 仿生减减阻材料 仿生超能吸水超能吸水材料泥土仿生减阻材料泥土仿生减阻材料 水流仿生减阻材料水流仿生减阻材料对早期资本主义社会的矛盾揭露仿生增韧陶瓷材料仿生增韧陶瓷材料陶瓷材料的脆性和如何增韧是其应用的关键问陶瓷材料的脆性和如何增韧是其应用的关键问题之一，也一直是研究的热点。人们提出过长题之一，也一直是研究的热点。人们提出过长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多项强韧化措施，也取得了积极的成果，韧等多项强韧化措施，也取得了积极的成果，但仍没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题但仍没有从本质上

7、解决陶瓷材料的脆性问题 。 自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近9595是普通陶瓷是普通陶瓷CaCOCaCO3 3，但其综合力学性能优异，但其综合力学性能优异，特别是断裂韧性，比单相，特别是断裂韧性，比单相CaCOCaCO3 3陶瓷高陶瓷高2 23 3个数量级。这说明贝壳珍珠层所具有的优个数量级。这说明贝壳珍珠层所具有的优异力学性能与其独特的生物结构有密切关异力学性能与其独特的生物结构有密切关系。系。 贝壳珍珠层是由文石、晶片形成增强相的贝壳珍珠层是由文石、晶片形成增强相的层状复合材料，占总质量层状复合材料，占总质量15的有机的有机质填充于无机相之间。层与层间的有机

8、质质填充于无机相之间。层与层间的有机质具有三明治式夹心结钩，外夹憎水的丝心具有三明治式夹心结钩，外夹憎水的丝心蛋白质和亲水的酸性蛋白质蛋白质和亲水的酸性蛋白质 。文石晶体与有机基质文石晶体与有机基质交替叠层的排列方式交替叠层的排列方式是抗脆断的关键所在，是抗脆断的关键所在，由于有机基质层强度由于有机基质层强度相对较弱，易于诱导相对较弱，易于诱导裂纹在其中偏转，从裂纹在其中偏转，从而阻止了裂纹的穿透而阻止了裂纹的穿透扩展。因此，可以把扩展。因此，可以把珍珠层的结构抽象为珍珠层的结构抽象为软硬相交替的多层增软硬相交替的多层增韧结构，正是这种结韧结构，正是这种结构组合赋予了贝壳珍构组合赋予了贝壳珍珠

9、层极佳的断裂韧性。珠层极佳的断裂韧性。 清华大学利用多功能离子束辅助沉积装置，进行了碳化钛金属叠层微组装。结果表明，金属层厚度有一个最佳值，面心立方Al和Cu对TiC的增韧效果明显，叠层微组装是材料的硬度和韧性等综合性能有了很大的提高。仿生仿生弹性膜材料弹性膜材料 用手触摸含羞草的叶片用手触摸含羞草的叶片,它就会像动物那样收缩。它就会像动物那样收缩。在这一种启发下在这一种启发下,日本奥林巴斯公司的植田康弘研日本奥林巴斯公司的植田康弘研制了一种可以伸到小肠里的内视镜制了一种可以伸到小肠里的内视镜,他在内视镜的他在内视镜的筒状部分使用了一种与含羞草叶片表面结构相似筒状部分使用了一种与含羞草叶片表面

10、结构相似的弹性膜材料的弹性膜材料,它在肠道流体的压力下它在肠道流体的压力下,会沿着轴会沿着轴向自动伸长或弯曲向自动伸长或弯曲,从而使内视镜的筒状部分与肠从而使内视镜的筒状部分与肠道保持同一形状。道保持同一形状。仿生减阻材料仿生减阻材料 泥土仿生减阻材料泥土仿生减阻材料在生产过程中，常常遇到土壤粘附在在生产过程中，常常遇到土壤粘附在不同机械及触土部件上，如犁、铁锹、不同机械及触土部件上，如犁、铁锹、铲等，粘附的土壤不但影响它们的运铲等，粘附的土壤不但影响它们的运动及工作质量，也增加了能耗。动及工作质量，也增加了能耗。 蜣螂生活在粘湿环境中的土壤动物能够不蜣螂生活在粘湿环境中的土壤动物能够不粘附土

11、壤而行动自如粘附土壤而行动自如 ，其原因一方面是由，其原因一方面是由于其体表为憎水材料，另一方面是其非光于其体表为憎水材料，另一方面是其非光滑几何表面形态能存储空气，使体表与土滑几何表面形态能存储空气，使体表与土壤表面间存在一些间隙，有效地减轻大气壤表面间存在一些间隙，有效地减轻大气对土壤的空气负压作用，从而减弱了土壤对土壤的空气负压作用，从而减弱了土壤对动物体表的摩擦磨损和黏附效应。对动物体表的摩擦磨损和黏附效应。 为此在材料表面制备出疏水且具光滑表面的涂层，可以获得减黏降阻的触土部件。 Qaisrani设计了仿生推土板并进行了减粘设计了仿生推土板并进行了减粘降阻试验，试验结果表明，仿生非光

12、滑犁降阻试验，试验结果表明，仿生非光滑犁壁具有较好的脱土性，可减小犁耕阻力壁具有较好的脱土性，可减小犁耕阻力1518，节省油耗，节省油耗512。 李建桥也在犁壁表面上随机布置凸包制成李建桥也在犁壁表面上随机布置凸包制成了仿生非光滑犁壁，与普通犁壁相比降阻了仿生非光滑犁壁，与普通犁壁相比降阻6%12对早期资本主义社会的矛盾揭露2. 水流仿生减阻材料水流仿生减阻材料水的阻力是影响舰船航速的主要因素，减小阻力就能水的阻力是影响舰船航速的主要因素，减小阻力就能有效提高航速。有效提高航速。水生物在漫长的生息繁衍岁月中进化出了效率很高的水生物在漫长的生息繁衍岁月中进化出了效率很高的游动机构及表面微结构，其

13、表面摩擦阻力和压差阻力游动机构及表面微结构，其表面摩擦阻力和压差阻力也都相当低。因此，通过结构仿生学的研究，可设计也都相当低。因此，通过结构仿生学的研究，可设计出减阻效果更好的材料微表面结构，且不会带来附加出减阻效果更好的材料微表面结构，且不会带来附加设备或额外能量消耗及空间占用，在各种减阻技术中设备或额外能量消耗及空间占用，在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法之一被认为是最有前途的方法之一 。海豚是大海中的游泳健将海豚是大海中的游泳健将 ，一方面是由于它的流线，一方面是由于它的流线型体形，另一方面是由于它特殊的皮肤构造型体形，另一方面是由于它特殊的皮肤构造 。 海豚的皮层结构由表皮、真皮和

14、由胶质纤海豚的皮层结构由表皮、真皮和由胶质纤维与弹性纤维交错的结缔组织组成，但与维与弹性纤维交错的结缔组织组成，但与众不同的是，海豚的真皮层上面有很多乳众不同的是，海豚的真皮层上面有很多乳突，乳突之间充满粘滞液体。突，乳突之间充满粘滞液体。对早期资本主义社会的矛盾揭露这种皮层结构在受到海这种皮层结构在受到海水紊流的压力变化时，水紊流的压力变化时，流体随着压力的改变流流体随着压力的改变流出或流入乳突，在此过出或流入乳突，在此过程中，紊流的部分能量程中，紊流的部分能量就被吸收，在很大程度就被吸收，在很大程度上消除了水流由片流变上消除了水流由片流变成湍流时产生的振动，成湍流时产生的振动，有效降低了游

15、动能量消有效降低了游动能量消耗。耗。美国海军研究部门根美国海军研究部门根据海豚皮肤的结构特据海豚皮肤的结构特点，找到一种接近海点，找到一种接近海豚皮肤的人造材料，豚皮肤的人造材料，模仿海豚真皮层功能，模仿海豚真皮层功能，仿制的仿制的“人工海豚皮人工海豚皮”用于潜艇表面，还模用于潜艇表面，还模仿鲇鱼表面分泌的粘仿鲇鱼表面分泌的粘液，制成高分子化合液，制成高分子化合物，用来涂在舰艇、物，用来涂在舰艇、船壳上，可减少阻力船壳上，可减少阻力50%，使潜艇的航速，使潜艇的航速成倍提高。成倍提高。鲨鱼皮肤布满微小鲨鱼皮肤布满微小的肋条状鳞片结构，的肋条状鳞片结构，这种带肋条的表面这种带肋条的表面能有效地降

16、低鲨鱼能有效地降低鲨鱼肌体在水流冲击中肌体在水流冲击中的振动，从而大幅的振动，从而大幅降低游动阻力，打降低游动阻力，打破了表面越光滑阻破了表面越光滑阻力越小的传统观念。力越小的传统观念。显微镜下的鲨鱼皮肤显微镜下的鲨鱼皮肤 Speedo公司据此研究设计了仿生游泳衣这公司据此研究设计了仿生游泳衣这种仿生游泳衣仿造了鲨鱼的皮肤结构。在种仿生游泳衣仿造了鲨鱼的皮肤结构。在它的表面有一系列的凹槽，与鲨鱼皮上微它的表面有一系列的凹槽，与鲨鱼皮上微细结构类似。这些凹槽可以在游泳者周围细结构类似。这些凹槽可以在游泳者周围产生微小的旋涡，能有效地引导水流，降产生微小的旋涡，能有效地引导水流，降低皮肤和肌肉的振

17、动，从而减小阻力。低皮肤和肌肉的振动，从而减小阻力。 鲨鱼皮泳衣的结构，V字型可以减少游泳时水流带来的阻力仿生泳衣仿生超能吸水材料 我们常见的西瓜是一种含水量极高的水果,在它的启发下,人们研制了一种与西瓜纤维素构造相似的超吸水性树脂,它是用特殊设计的高分子材料制造的,能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水份,现在已用于废油的回收,既经济又高效。 这种材料如果进一步得到完善的话,将来液体的包装和输送就可能用一种全新的技术来代替。比如,将来的饮料就不再是用现在的杯子来装,而是只要用一片薄膜即可。仿生材料的设计与构想 在上百万年的生物进化过程中，一些动物在上百万年的生物进化过程中，一些动物(如壁虎如

18、壁虎、苍蝇、蜜蜂、蝗虫等、苍蝇、蜜蜂、蝗虫等)的足掌获得了最佳的几何的足掌获得了最佳的几何设计和生物材料特性，保证它们能够在各种环境设计和生物材料特性，保证它们能够在各种环境、不同材料、质构、粗糙度的表面上运动和停留、不同材料、质构、粗糙度的表面上运动和停留。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，能够攀墙自如、。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，能够攀墙自如、倒挂悬梁，甚至在真空环境都能行走自如，并且倒挂悬梁，甚至在真空环境都能行走自如，并且路经之处不留任何痕迹。路经之处不留任何痕迹。 他们发现壁虎的粘附力取决于物理特性而他们发现壁虎的粘附力取决于物理特性而不是表面化学特性，即取决于壁虎脚底的不是表面化学特性，即

19、取决于壁虎脚底的刚毛尺寸、形状和刚毛的密度，这种特殊刚毛尺寸、形状和刚毛的密度，这种特殊的粘着力是由壁虎脚底约的粘着力是由壁虎脚底约200万根直径约万根直径约5m的细小刚毛与物体表面分子之间产生的细小刚毛与物体表面分子之间产生的范德瓦尔斯力累积而成的。的范德瓦尔斯力累积而成的。要制造出要制造出“蜘蛛侠蜘蛛侠手套手套”还要一段很还要一段很长的日子，尤其是长的日子，尤其是要像壁虎那样，在要像壁虎那样，在污秽、湿润或粗糙污秽、湿润或粗糙的东西上行走，还的东西上行走，还需要突破众多技术需要突破众多技术难题。模仿壁虎脚难题。模仿壁虎脚掌的物料未来可制掌的物料未来可制成成“步兵攀爬服步兵攀爬服”，士兵穿上

20、它就可像士兵穿上它就可像壁虎般飞檐走壁。壁虎般飞檐走壁。人造纤维 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。 此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维,例如,牛奶蛋白质与丙烯菁共聚纤维(东洋纺) ,商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成) 等等。 .另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究 ,并且对蜘蛛丝也进行了研究 ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。 人鱼传说人鱼传说 在陆地上生活的动物有肺在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气能够分离空气中的氧气中的氧气,水里的鱼有鳃水里的鱼有鳃,能够分离溶解在能够分离

21、溶解在水中的氧气水中的氧气,供给身体使用。供给身体使用。 人们仿造这种特性人们仿造这种特性,制作了薄膜材料制作了薄膜材料,用于用于制造高浓度氧气、分离超纯水等制造高浓度氧气、分离超纯水等,以达到以达到节省能源以及高分离率的目的节省能源以及高分离率的目的 。目前人。目前人们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能的材料的材料,如果研制成功的话如果研制成功的话,人类在水底世人类在水底世界的活动将发生一场新的革命。界的活动将发生一场新的革命。能量重组能量重组 生物为了维持生命生物为了维持生命,能够非常高效地进行各种能够非常高效地进行各种能量之间的相互转换能量之间的相互转换,这是在广阔的生物界都能看这是在广阔的生物界都能看到的现象。到的现象。 例如例如,人们对萤火虫的发光机制作了研究人们对萤火虫的发光机制作了研究,其发光其发光原因是由于化学能高效率地转化为光能。像萤火原因是由于化学能高效率地转化为光能。像萤火虫的这种能量变换方法目前人类还做不到。随着虫的这种能量变换方法目前人类还做不到。随着地球上现在所使用的能源逐渐枯竭地