(高清版)GBT 42441-2023 仿生学 仿生材料、结构和构件

Biomimetics—Biomimeticmaterials,structuresan国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I Ⅲ V 1 1 1 2 3 35.2性能 56仿生材料和构件的开发方法 6.1原型分析 6.2与应用对象类比 6.3特征抽象提取 6.4仿生材料选择 A.2源于生物灵感的聚合物 A.3类珍珠壳仿生微纳结构 A.4类珍珠壳的干预颜料 A.5自锐工具 A.6植物茎秆仿生技术 20A.7骨科整形螺钉 21A.8材料与构件的仿生制造技术 22A.9结构色 23 24 25A.12制造自洁塑料构件的创新工艺 26附录B(资料性)分析方法 27B.1分析方法概述 B.2生物和仿生表面的测量与表征方法 Ⅲ1下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文GB/T42444—2023仿生学术语、概念与方法论(ISO18458:2015,IDT)逐渐过渡gradualtransition2一种材料与部件的结构和属性使生物体拥有几个必要功能，或技术上有望得以高水平地实现并处Self-X属性self-Xproperty存在于材料中或表面上的属性与信息不需特殊控制就可自动延续其过程4缩略语AFM:原子力显微镜(AtomicForceMicroscope)DSC:差示扫描量热法(DifferentialScanningCalorimetry)DTA:差热分析法(DifferentialThermalGC-MS/MS:气相色谱-串联质谱法(GasChromatography-tandemMass3MALDI-MS:基质辅助激光解吸/电离质谱(MatrixAssistedLaserDesorption/Ionization-MassSEM-EDS:扫描电子显微镜-能量色散光谱(ScanningElectronMicroscopy-EnergyDispersion生物案例多功能性复和再生)生物材料在整体失效前具备高度的抵抗损坏的能力4生物案例啮齿动物牙齿：自锐性叶片表面：自清洁性生物材料在无需外力的情况下，具备再生和维持其复杂功能的能力生物材料可以通过改变形状或通过增长和重新调整结构生物生存或生长的产物具有可利用或可降解性。是可降解和回收利用的自行运转，且个体自我更新基质组织转变),长骨(如皮质肉过渡许多生物材料，例如叶片表面的自清洁功能：通过基因编码调控的表面结构自组装蜡质分子到大地增长而成资源)些元素会大量使用(碳、氢、氧、氮、硫、钙、磷、硅)有效地对损伤进行修复的能力。这种生物体的自修复和自适应能力对仿生学的开发具有特殊的5生物系统的性能多种多样。表2列出了151种生物系统的实例4,并将生物系统的性能总结为8类：生物实例1光学、减反射、结构色、鱼、竹芋、鱼鳞(见A.4)液晶、装饰、电子、功能膜、化妆品2萤火虫、鱿鱼、海蜇汽车、家电、装饰品34莲花(见A.12)、蜗牛、蝴蝶的翅膀、蝉翅膀、璃、集水(水产业)6表2各生物系统性能及可能的潜在应用分类(续)生物实例5扭曲鹤望兰(天堂鸟属)78飞机、船舶、家电、涂层材料、体育9电气性能/绝缘体、发电电级、干贝壳、于树陶瓷行业、电力行业电子、半导体业管结构医药表面张力不定向嘴蛇、蚯蚓、蜜蜂、猪笼草贝壳、牙齿、骨骼、硅藻医药、装饰、陶瓷行业光合作用能源业、农业、食品业草蜢韧带(见A.2)医药、化学行业投弹手甲虫自组织性医药、电子、薄层自愈合性、自修复性医药、涂层材料、汽车、电子、家电自组装性医药、涂层自洁性自锐性啮齿动物牙齿(见A.5)眼睛、复眼、冠刺海星管足光感器、海胆/M甲虫、白菜、白色蝴蝶7生物实例嗅觉味觉飞机、传感器、农业(病虫害防治)飞机、传感器、船舶浮力鹦鹉螺、乌贼、海蜇升力飞机、发电驱动力流体阻力摩擦控制机械零件、机械工业、汽车、医疗、温度控制动物汗液、蒸腾作用湿度控制回收、可降解的适用性g)对环境适应性医药、质感结构北极熊、南极鱼、黄粉虫、驯鹿医药、食品工业、电池菌中的细菌高温使用化妆品马、螳螂蜂、枯叶蝶、白蚁卵国防工业、装饰、病虫害防治象鼻、章鱼脚、鱼鳍8GB/T42441—2023/ISO1845表2各生物系统性能及可能的潜在应用分类(续)生物实例昆虫、蝙蝠交互联系红蜘蛛与捕食螨、生物杀虫剂防御将生物材料性能进行对比应用到技术材料中时，可参照阿什比图中的信息(如图1～图4所示),对15个层级的结构。层次结构各层之间的界面控制着各层之间载荷的传递，引发了一定程度的材料性能生物原型材料与工程材料具体属性的对比如图4所示。图中绘制了两组材料，除高性能陶瓷和合9oo7320/po/p1p45EE4木纹38E¹p-E/pPTFEE¹/po69g2E——杨氏模量(GPa);1——最小质量设计准则；4——复合材料；5——技术陶瓷；注：将对应密度下的弹性模量涂为深色以区别具有高的刚度及可达到最小重量的材料。图2根据参考文献[5]中密度和弹性模量对应关系生成的材料属性图[5]检木松木1型 柳木Ⅱ型食疮树617松士5竹子蹄苹果茸角霞石热带角2E——杨氏模量(GPa);Y¹——韧性(kJ/m²);图3根据参考文献[5]中弹性模量和韧性的对应关系生成的材料属性图[5]YY丝弹性蛋白1*材标引序号说明：A树m尺度范围下的特征进行跨尺度的分析(如图5所示)。及由此而导致的一个样品对象中缺少的同质性，想要进行宏观分析尤为困难。应这些方法详见附录B。仿生研究过程的重点在于对生物系统与技术目标系统进行类比或相似性的查验。在选取生物模型数比率及质量标准是否可以将经过功能目标简化的生物模型与技术指标体系相关联(如图6所示)。技术功能(需求)否是是否是否是检查类比的第一步是检查生物系统的功能是否与技术指标系统的功能相匹配。这种情况下所说的在下一步中，需要识别所有参数并确定它们与问题的相关性。若一个因素由于缺乏关联性而不予方程组来描述问题。这一步骤完成后就可实施抽象提取阶段(见6.3)的操作。数等)。根据Buckingham圆周率定理，也可应用量纲分析法通过使用基本变量(基本单元描述的参数数量。在某种情况下宜减少测量参数，由此便可确立一个可操作的实验方案。若从一系列术指标体系之间就可以认为存在完全的相似性。但出现这种情况的几率几乎 则不仅可满足某个最大或最小的期望值要求，而且所得到的值和所定义的目标值之间的差值可达到最性地分散)和一个盐瓶(将盐洒在鸡蛋上的功能)的抽象提取过程指的是将在生物模型中发现的功能原理进行提取和归纳的过程，它是仿生研究项目素与效果之间的这种关系需要以一种跨学科的方式来制定。在将生物功能原理移植到技术中去时，实际上许多情况下有些简化是不可避免的，并且这种简化对抽象提取过程是十分有益的。仿生抽象提取抽象提取还可以通过创建模型和应用各种仿真技术得以实现。同时，建模和仿真具备可简洁快速情况就可对机械构件的服役寿命做出预测。从工业角度来讲，降低开发和生产成本及优化开发过程往现有的方法可做到对实际材料系统属性进行很好的描述和预测，但那些基于计算机的方法只能描在着一定差距。这种现象的出现主要是由于相应材料属性形成过程中时间和尺度决定了材料的功能属性并跨越了很多量级。应用不同时间和尺度的仿生模型并进行模拟验证是一个既增加经济和时间成本又非常繁琐的过程。除了需要进一步提高计算能力及拥大多数针对生物力学仿真的研究都会涉及基于应力控制生物生长的生物设计规则和数值优化方法(及其他草类)中可发现存在各向异性结构和分级结构4]。由于许多生物材料具有层级结构，为模拟尽可能全面完整地对结构进行描述，可以在不同量级上应用细观力学模型。生物材料超凡的强度和韧性(如珍珠壳)一方面可从其所具有的层级结构中得出部分解释，但另一当选择用于开发仿生材料和构件的材料时，既要考虑生物模型的材料构成又要考虑如何将材料尽生物材料表征的陈述见分析阶段(见6.1),该部分可以确定生物材料功能的哪些有影响因素与待解范围从分子水平至整体结构。生物材料并非具有均质性，而是由几种不同成分以变比例的方式组成。断裂强度都可表现出其各向的异向属性。材料经历整个生命周期的成长期得以合成，在外界条件发生在技术应用过程中，工程师们将主要用于承受机械荷载的建筑型或结构型材料与具有特殊功能属为了能够选择适合的材料以进行技术实施，有必要了解材料可以实现的全部属性。设计者将这些用于两种不同材料属性选取的图可参照阿什比图(见5.2,图2～图4)。由于使用双对数刻度，各材料自从工业角度来看，仿生学能够成为改变创新发展进程中一个极具吸引力的因素主要体现在以下三—仿生学的跨学科性：产品和解决方案的日趋复杂要求人们在创新过程中不断寻找新的方法。采用传统方法(价值分析法等)进行定性和定量优化的效果目前已达到极限。在这种情况下，技术和信息技术在这一过程中发挥着关键性作用，而仿生学将会成——仿生学和可持续性：仿生学对在产品开发中高效性和一致性(适应性)解决方案的形成可做出重要贡献。这种满足最少能源和材料消耗的设计方案，都是在对植(资料性)A.1概述分子水平的材料结构可通过一些生物聚合物出色地表现出来，例如用汁液制成的天然橡胶以及跳蚤和蚱蜢韧带中的弹性蛋白。它们的高弹性和多数合成聚合物材料的性能。由于在个别案例中已经阐合物的方法模型之间的关系，所以有可能用石油化工生产的原材料中制造出部潜力，并且在某些方面已经让人高度联想到生物生长过程的精确性和可结构能够使生物材料在达到良好水平的断裂仿生材料中备受关注的材料模式当属由碳酸钙(文石)和蛋白质构成的珍珠壳，即蚌壳中的材料。用珍珠壳构建了类似于砖墙(见图A.1)的结构。刚度(拉伸模量)断裂伸长率%%10下，表面改性的蒙脱石层状硅酸盐与聚阳离子(pDA价阴离子的游离性离子基团联系在一起，这样就可制造出一个具有与天然珍在微尺度范围内，一个重要仿生产品群体是类珍珠壳的干预涂料。尽管在较早期关于仿生开发和在鱼鳞中提取鸟嘌呤颜料从技术角度来说十分复杂且花费昂贵。鉴于这些原因，科学家们最初试在这种条件下很难对晶体的生长进行控制以获得所期望的形状，并且这些材料往境(碳酸铅)造成毒害或在应用时表现出其他缺点(氯氧化铋)。现代珠光颜料氧化钛。天然云母拥有原子级的平滑表面，可充当理想的透明基板。基板上200nm。根据不同的厚度会呈现出光泽效应和干涉效应。像生物性鸟嘌呤这种云母片晶就具有非常高的纵横比，便于在构件表面上进行平面平行性排列。珠光颜料可跨越微观层面和宏观层面的仿生材料和结构的一个范例是自锐切割工具。啮齿动物的牙齿在进化过程中，已成为一种极为高效的自锐切割工具。啮齿质比牙釉质(硬度：HV200)要软得多，且在切割食物时磨损得更快。因此，釉质保持除了这些基本结构外，牙齿的微观结构在这种切割系统的功能中起着一种极为核心的作用。牙釉质包含有放射状牙釉质，其可以使受力进行有效地传递并在顶侧提供了一种自锐刀具开发的一个主要挑战是要掌握材料切割和所需切削工具之间的摩擦过程和具体操作方然而，抽象提取知识已经为技术的移植奠定了基础。使矿物填充塑料的112硬质自由面将一些自然界的构造原理移植到“植物茎秆仿生技术”是生物结构在微量化(纤维取向)和宏观化(横截面设计)层面进行移植的另一个范例。这一过程创造了一种全新的仿生学产品，以前在自然一些纤维复合材料所组成的植物轴，甚至在接触到动态风荷载时都不会合材料稳定性通过梯度过渡得以保证。植物之所以能具有这些优良材料属性，其原因在于这种复合性芦竹的特性表现在其所拥有的一个复杂的纤维复合结构，这种结构拥有一种极高的刚度和强度。及硬质纤维和相对低硬质的基体组织之间的刚度逐渐转变。除了具有良好的机械冬季马尾(见图A.3)是轻量化结构设计中一个极为有效的生物原型。图A.3中很容易看到其横截面的夹层构造：一层由非木质化的组织构成的薄外套层和一层由细胞壁部分内环，两夹层之间由于楔形的强化结构而被大的中空空间隔开。这些稳定元件让人想起工字梁。这种图A.3冬季马尾茎秆的横截面和植物茎秆的仿生技术产物A.7骨科整形螺钉这个公理，应力在部件表面的均匀分布是通过在高负载区域的增长和在低负载区域的选择性收缩来实现的。这种结构使部件作为一个整体能够承受更高的负载，从而提高其使用寿命。这已在计算机辅助亦然。图A.4b)展示了椎弓根螺钉破坏的一段。即使使用更大型号的螺钉(取决于解剖条件)或一种的螺纹形状几乎不会产生任何缺口应力(见图A.4c)]。图A.4骨科整形螺钉(续)A.8材料与构件的仿生制造技术在许多情况下，仿生材料或构件是用传统制造工艺制造的。这些工艺包括铸造、挤压、层压、各种机械加工和连接技术以及烧结工艺。在这些自上而下的技术中，部件的最终形式主要由同一种均质材料或构件，那么就有必要将自下而上原理应用到制造工艺中去。这些制造工成。这种情况下将要面临的一个特殊挑战是如何从分子水平这种最理想状态开始，实施对几个层级进自然界那样从小处开始并增大尺寸来构造物体，这显著提高了开发具有局部变化的组成和性能的新型对传统方法进行改进，也可使该制造工艺在仿生构件制造方面具有特别巨大用于各种技术中，尤其是在运输行业中。拉挤工艺特别适用于一次性生产无限长的纤维复合材料。该技术也可用于加工硬塑性和热塑性基体。如果生产材料的编织机是集成化的，那么这种工艺可被称为编织拉挤工艺(见图A.5)。使用这种编织工艺就有可能将螺旋形纤维引入到结构中去，以便使型材也著名的周期性纳米结构开发范例，即蛾眼效应(见图A.8)。蛾眼拥有呈现低反射的周期性纳米结构[32]。这种结构所产生的效应源于空气和基质之间折射率的连续性变化，这种结构是具有技术意义来，在工业生产中研究和开发蛾眼结构用于减反射已经有了一些进展。而模XXA.11胶带仿生可重复使用胶带是一个典型的借助生物推进的方式而开发的范例。壁虎足趾所具有的优异黏附性/分离性已在近年来受到了特别的关注。壁虎无需一种相应于黏合剂的分泌物就可完美地黏附到一个表面上，即使是在像窗户玻璃那种平坦的表面上也可进行空间移动(见图A.9)。黏附力由壁虎足出了这种黏附表面(如图A.10)。然而，大图A.9壁虎足的附着和脱离特性GB/T42441—2023/ISO1图A.9壁虎足的附着和脱离特性(续)制造自洁塑料构件的这种创新工艺是仿生工业应用中的一个范例。要想产品。有一家化学公司当时正在寻找一种创新方式以提高其技术塑料产品组合的价值，一群开发人员还为此专门请教了生物学家，希望使用塑料加工业中的方法将在一种生物材料中所发现的属性移植到这种现象，他们提出了荷叶表面具有自洁性这一说法。那些有意或无意地沉积到生物体上的有害尘埃来的结果显示，自洁表面在纳米微米值域内是呈粗糙状的。他们还对蜡块组成的粗糙化学成分和几何尺寸以及在何种条件下创建了这种条件进行了研究。通过确定润湿角度和滚动角碘甲烷和十六烷等各种液体测试，对润湿属性进行测量而最终确定了其表面能量。科学家和工程师们了商业使用许可证，工业研究人员与生物学家们则根据许可证协议框架开始进行合作。该企业所设想a)测试系列：在所选定的工业用塑料表面上创建各种不同的几何结构。尽管投入了更多的时间b)测试系列：通过选择合适的共聚物或使用低能量分子将表面改性来测试结构性外表的表面能已有20多项与超疏水塑料制备有关的纳米结构金属氧化物的专利申请。(资料性)分析方法生物体的性能纷繁多样，因此有必要进行具有针对性的分析。表B.1和表B.2分别列举了生物材料性能分析研究的目标和分析方法的实例。表B.2共介绍了8个分析目标。原本被归类在物理属性中的力学属性和光学属性单列在表B.1中。仿生学中受生物体系启迪而获灵感的范例不胜枚举。研究与表B.1生物材料性能分析研究的目标abCdefgh活动1xxxxx2xxX3xx4xxxx5xXxx6xxxx7XxXxxx8xxxx9电气性能/绝缘体、发电xxxxxxxx管结构xxxX表面张力xXX不定向xxxxXX光合作用xxxxxxxxxxXXxxx表B.1生物材料性能分析研究的目标(续)abcdefgh活动XXxxx自组织性XXXXX自愈合性、自修复性XXXx自组装性xXX自洁性xXxX自锐性xXxxxxxxx嗅觉XxxXxXxx味觉Xxxx听觉/超声波、低频xxxxxXXxxxe)流体动力学浮力XX升力Xx驱动力XxX流体阻力xXXx摩擦控制XXx温度控制XXX湿度控制Xxx循环性(可持续性)/可回收、可降解的xxxxxxXxxxXxxabcdefgh结构活动高温使用XxxXxxxxxxxxxxXxxXx交互联系xxxX防御x注：本表与表2有关联，表中序号1~56的内容与表2对分析目的a形态学/结构OM、SEM、TEM、SPM、X-ray、CT、断层扫描、SIM、激光共聚焦显微bc圆率测量仪deNMR、IR、质谱、X-ray、拉曼、XPS、TOF-SIMS、XRF、SEM-EDS、SIMS、AES、fgHPLC、LC-MS/MS、DNA测序、MALDI-MS、氨基h生物活动注：本表与表B.1具有关联性，表中的序号a~h对应表B.11234化学分析光谱分析(FT-IR,Raman,UV)B.2生物和仿生表面的测量与表征方法自从荷叶效应被证实有效后，用于超疏水表面的表面工程和研究成而来的各式各样的表面工程和处理技术得以广泛开发，用以将自然界中一些新发现的原理转移到技术应用中去。然而，生物和仿生表面的测量和表征远比常规工程材料所涉及的范围要更为广泛和复杂。当将常规分析方法应用到这种测量中去时，由于生物表面性能对自然环境条件的依赖性而导致测量过B.2.2润湿性昆虫翅膀或叶片表面呈现波浪和弯曲形状，且表面是粗糙的。对接触角所进行的常态化测量不能用来评价疏水性，因为从横向很难观察到固相-液相-气相的隐藏接触线。使用一种数值分析法则可以通常情况下，将标本放置在真空环境中以使用电子扫描显微镜(SEM)对其表面进行观察。大多数生物都仅可以生存在常规大气压下。高度真空降低的气压会导致生物迅速脱水和死亡。形态结构也常B.2.4力学分析[1]VDI6224Part2:2012-08,Bionicoptimization;Applicationofbiologicalgrowthlawsstructure-mechanicaloptimizationoftechnicalcomponents.Berlin:BeuthVerlag[2]MasselterT,BarthlottW,BauerG,BertlingJ,CichyF,DitsLienhard,RLuchsinger,KLunz,CMattheck,MMilwich,NMolderTesari,MThielen&TSpeck:Biomimeticproducts.-In:Y.Bar-Cohen(ed.),Biomimetics:naturebasedinnovation,377-429.CRCPress/Taylor&Francis[3]VincentJFV,BogatyrevaOA,BogatyrevNpracticeandtheory.J.R.Soc.Interface.2006,3(9)pp.471-482[4]HosodaN,IsuH,UotzuY,SanoN,TakanashiT,TsubakiR.Thetrendofthematerials-basedbiomimeticsstudyandfuturedevelopment,PEN(PublicEnemergingtechnologies),Vol.5,No.4,pp.78-[5]AshbyMF.MaterialsSelectioninMechanicalDesign.Butterwort[6]WegstUGK2006)Wood[7]VincentJFV.Biomimeticmaterials.J.Mater.Res[8]“HierarchicalstructuresinbiologyasaguideSyntheticHierarchicalStandTechnicalSystems,Nationa[9]WetphalV,RizzoliSO,LauterbFieldOpticalNanoscopyDissectsSynapticVesicleMovement.Sci[10]GustafssonMG,ShaoL,Carltonfieldfluorescencemicroscopybystructuredillumination.Biophys.J.2008[11]SchermellehL,CarltonPM,HaaseS.Subdiffractionmulticolorimagingoftperipherywith3Dstructuredilluminationmicroscopy.Science.2008,320(5881)pp.1332-1336[12]RechenbergJ.7.VorlesungBionikI:Die7tu-berlin.de/institut/skript/vorlb1.htm(10.0[13]ZlokarnikM.Scale-up:ModellübertragunginderVerfahren[14]RüggebergM,SpeckT,ParisO,LapierreC,PovascularbundlesofpalmWashingtoniarobusta.Proc.Biol.Sci.2008,275pp.2221-2229[15]CristofoliniL,TaddeiF,BaleaniM,BaruffaldiS,VicecontiM.Mulofthefunctionalpropertiesofthehumanfemur.Phil.Trans.Roy.Soc.A,Mathematical.PhysicaEngineeringSciences.2008,366pp.3319-3341K,HellmichC,EberhardsteinerJ.Developmentandfacontinuummicromechanicsmodelfortheelasticityofwood.Eur.J.Mech.A,[17]BarthelataF,TangaH,ZavattieriPD,LiC-M,Espinosamother-of-pearl:Akeyfeatureinthematerialhierarchicalstpp.306-337[18]KappelR.ZugseileinderNatur.WissenschaftlicheBerichte,FZUniversitatKarlsruhe2007,http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/1000007119,(Lastvi[19]VDI6220Part1,Biomimetics—Conceptionandstratandconventionalmethods/products.B[20]WaltherA,BjurhagerI,MalKontrolledermechani-schenEigenschaftenfeuerabsch[21]MertM,&YilmazerU.Processngandpropertiesofmodifiedpolyamide66-organnanocomposites.J.Appl.Polym.Sci.2008,108(6)pp.3890linBG,LahannJ,RamamoorthyA,KotovNA.:Ultrastrongandstifflayeredposites.Science.2007,318p.80[23]GrossmannU,RechbergerM,BlomerJ,BertlDevelopmen