仿生复合材料.docx

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1、仿生材料探讨进展（讲义）ResearchProgressofbiomimeticmateria1.s仿生学（BiOniCS）诞生于二十世纪60年头，是Bi（O）+（e1.ectr）onics的蛆合词，重点着眼于电子系统，探讨如何仿照生物机体和感官结构与工作原理，而材料的仿生探讨则由来已久。80年头后一期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文，分析了部分生物材料的更合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探究匹嵋美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志（BiOmimetics）,BiOmimetiCS意为仿照生物，着重力学结构和性质方面的仿生探讨。但人们往往狭义地理解“mi

2、metic”含义，认为材料仿生应尽可能接近仿照材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受.通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料（BiomimeticMateria1.s1.o这是材料科学与生命科学相结合的产物，这一结合衍生出三大探讨领域：自然生物材料，生物医学材料（狭义仿生）和仿生工程材料（广义仿生一即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等）。一、 自然生物材料与生物医学材料自然生物材料经过亿万年物竞天择

3、的进化，具有独特的结构和优异的性能。通过自然生物材料的探讨，人类得到了很多启示，开发出很多生物医学材料和新型工程材料。自然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的屏本结构是由各种氨刀酸已知才120种组成的长处，变更料用酸的种类与排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。蛋白质的合成确定于遗传基因，即RNA(核糖核酸中每二个碱基对构成一个密码干,确定一种氨基酸。在现代遗传工程探讨中采纳“基因定位突变技术”，可以变更某些碱甚对的依次和种类，以合成所须要的蛋白质，利用DNA技术干脆“克隆”出自然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和限制，因此将会作为功能材料和结构材料

4、得到应用。目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场1%据统计，被具体探讨过的生物材料迄今已超过一千多种，涉与到材料学科的各个领域，在医学临床上应用的就彳T几十种。用以和生物系统结合,以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料被称为生物医学材料(Biomedica1.Materia1.s)。依据材料的生物性能，可分为生物情性材料(BiOinertMateria1.S)与生物活性材料(BiOaCtiVeMateria1.s)两大类前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应，后者则能诱发出特殊生物反应，导致组织和材料之间形成健接，或提高细胞活性、

5、促进新组织再生。依据材料的组成又可分为：生物医学金属材料(Biomedica1.Meta1.1.icMateria1.s),生物医学高分子材料(BiOrnediCa1.Po1.ymer),生物陶瓷(Biomedica1.Ceramics),生物医学复合材料(Biomedica1.Composites),生物衍生材料(Bio1.OgiCanyDerivedMatCria1.S）等。生物医学材料要干脆与生物系统结合，除应满意各种生物功能和理化性能要求外，还必需具有与生物体的组织相容性，即不对生物体产生明显的彳害效应，且不会因与生物体结合而降低自身的效能和运用寿命.医学临床对所用生物材料的基本要求包

6、括：材料无毒，不引起生物细胞的突变和组织反应；与生物组织相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等；化学性质稳定，抗体液、血液、与能的腐蚀和体内生物老化；具有与自然组织相适应的物理、力学性能等。为满意上述要求，生物医学更合材料是较佳选择。医用金属、高分子材料、生物陶浇等均可作为生物医学复合材料的基体或增加体，经过适当的组合、搭配，可得到大盘性质各异、满意不同功能要求的生物医学复合材料。此外，生物体中绝大多数组织均可视为复合材料。通过生物技术，把一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子等引入生物医学材料，给无生命的材料赐予生命的活力,并使其具书药物治疗功能，成为一类新型生物医学复合材料一可

7、汲取生物医学更合材料，这些材料的发展为获得真正仿生的复合材料开拓了途径。二、 材畀仿生与仿生工程材料从材料学角度相识、仿照或利用某些生物体的显微结构、生化功能或生物合成过程来进行材料的设计、制造，以便获得具有特殊功能或优异性能的新材料是材料仿生的主要内容，也是设计制造新型复合材料的方效途径。材料仿生包括：结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合仿生。材料仿生的过程大致可分为三个步骤，即仿生分析，仿生设计，仿生制备。现有文献中关于仿生分析的探讨较多，而涉与仿生设计与制备的探讨较少。1、结构仿生自然生物材料几乎都是复合材料，不同物质、不同结构、不同增加体形态和尺度的复合使得自然生物材料具有远远

8、超过单一常规材料的综合性能。结构仿生的目的就是探讨自然生物材料这些自然合理的曳合结构与其特点，并用以设计和制造先进复合材料。D增加体形态仿生：作为复合材料，增加体的形态、尺寸对其性能有重要影IMI3J。由植物学可知，几乎全部的植物纤维细胞都是空心的。空心体的韧性和抗弯强度要高于相同截面的实心体。用CVD方法制备空心石墨纤维，其强度与柔韧性均明显高于实心纤维C竹纤维的精细结构如图所示，其中包含多层厚薄相间的纤维层，每层中的微纤丝以不同升角分布，不同层间界面内升角渐渐变更（图1）,据此提出了仿生纤维双螺旋模型（图2）,试验证明其压缩变形比一般纤维高3倍以上UN久文献”6高温高压条件卜合成了竹纤维状

9、Si3NBN陶瓷红合材料，证明其断裂韧性和断裂功分别超过了24MPam14000Jm2o图1竹纤维的精细结构图2增加纤维的仿生模型（八）和一束传统增加纤维模型（b）勖物的长骨般为中间瘦长、两端粗大、过渡网滑的哑铃形结构，既有利于应力的减缓，又避开r应力集中，与肌肉协作使肢体具有很高的持垂比。仿照这种结构“，把短纤维设计成哑铃形，并计算出端球与纤维直径的最佳比值，用这种形态增加体制得的复合材料强度提高ri4倍。深扎在土壤里的树根和草根不仅可以汲取水分和养料，保证草木生长并树立于风雨中不被吹倒或拔起，而且还可防止水土流失，加固河岸与堤坝。仿照树根和草根的结构，人们提出了分形树纤维模型（图3）。理论

10、和试验证明，具有分叉结构的纤维拔出力和拔出功随分叉角的增加而增加，这种根茎分叉状形态的增加体可同时提高熨合材料的强度和韧性。甲壳的纤维片条中存在很多“钉柱”以与山“钉柱”支撑而形成的空隙，这样的结构形式使材料既较轻而又具有较好的刚度和面内抗剪强度,满意r昆虫外甲壳自然复合材料对提高材料粥度、刚度、减轻材料重量以与糅放或减轻材料内应力的要求。在昆虫外甲壳中的传感器官和传输物质的管道与孔洞旁边的纤维具有较高的密度与保持连续地绕过，这与孔边的高应力场相适应，当外甲壳发生断裂时在这些地方遇到剧烈的反抗而消耗大量的能以，使材料在孔洞旁边具有很好的强度和止裂实力。据此结构制备的复合材料彳更高的强度和断裂韧

11、性|历。（）(3图3分形树纤维拔出模型3）一级分叉纤维（b）二级分叉纤维2）增加体与基的a合方式仿生a.海洋贝类壳体的层片结构与其仿生海洋贝类壳体可看成是类自然陶建基复合材料，其蛆成较为简洁，由近95%以上较硬的无机相一一碳酸钙和少于5%较切的有机质（蛋白庾、多糖）所构成。通常碳酸钙晶体的强度与弹性模量等比一般气化物、碳化物晶体低，但当碳酸钙与有机质构成贝壳后，却具有很强的抗挠曲强度和抗压强度。尤其是断裂韧性，明显高干其它人造陶变。贝壳的性能是由其结构确定的，即由碳酸钙晶体的规则取向与其与有机质的复合排列方式所确定。海洋贝类壳体常见的结构类型如图4所示（间，不同结构对应不同的性能。鲍鱼的壳体具

12、有典型的珍宝层结构，碳酸钙薄片与有机质依据”豉与泥浆”形式砌合而成C碳酸钙为多角片状，厚度为微米量级：有机质为片间薄层，厚度为纳米最级C图4几种常见的贝壳的微观结构（八）珍宝层（b）叶片层（C）陵柱层（d）交叉拄层（e）复合层片海螺壳则为层片交叉穆合结构，层厚1040um,各层取向互成7090的夹角。探讨表明，碳酸钙晶体与有机基质的交替桎层排列是造成裂纹偏转产生韧化的关键所在，一般说来，珍宝层结构具有比交叉层片结构更高的强度和断裂能，而后者在阻挡裂纹扩展方面更具优势.基于对海洋贝类壳体的结构与性能的探讨，可抽象出一种材料模型，即硬相与韧相交替排布的多层增切模型。依据这一模型，人们开展了仿贝壳陶

13、究增韧更合材料的探讨，部分探讨成果见表1。表1仿贝壳陶建增切更合材料的探讨成果网陶优（硬相）软相（韧相）制备方法性能比较（费层与整体）B1CA1.B.C/A1叠层断裂韧性提高30%SiC石墨Sie石里登层热压成断裂功提高100倍型SiCA1.SiC/A1.叠层热压成型断裂韧性提高25倍A12O3C纤维AI2O3/C纤维橙层热断裂韧性提高压烧结152倍SiN4C纤维SiN，C纤维福层热压断裂韧性提高烧结30-50%A12O3芳纶增加树脂AhCh/树脂热压成型断裂功提高80倍可见仿生增韧的结果还是特别明显的。金属AI能在确定程度上钝化裂纹尖端，但不能有效地阻挡裂纹的穿透扩展；石墨层可造成裂纹在界面

14、处偏转,但这种弱化界面的方法其止裂实力是有限的；纤维、高分子材料的止裂实力优越，有待进一步探讨。H前，仿生增韧陶瓷的叠层尺度都在微米以上，而实际的贝类珍宝层则是纳米级的微蛆装结构，正是这种特定的有机一无机纳米级豆合的精细结构确定了其具有优异的件.能事实上，纳米复合材料广泛存在于生物体(如植物和骨质)中，但直到80年头初才由Roy和KoEmmeniI提出纳米豆合材料(NanOCOmPOSiteS)的概念。这种材料是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级尺寸(ITOOnm)更合而成，这些固相可以是晶态、非晶态、半品态或者兼而有之，而且可以是有机的、无机的或两者都有。利用层状固体的嵌入反

15、应特性来合成有机一无机纳米亚合材料近年来己引起人们的广泛关注，所获得的纳米复合材料具有独特的分子结构特征和表现协同效应，既表现出无机物优良的强度、尺寸稳定性和热稳定性，又具备有机聚合物的断裂性能、可加工性和介电性能。聚合物的嵌入主要有三种途径：单体原位聚合，干脆熔融嵌入与聚合物从溶液中嵌入。这些方法的特点是利用某些无机物槁体组分单元的可重排件得到纳米尺度的二维排列，再通过特有的加工将众多数址的品层组装成高度有序的结构，并分布在聚合物相中，形成性能优异的衣机一无机纳米熨合材料31。b竹材、骨质的外密内疏、外硬内切结构与其仿生自然竹材是典型的纤维增加复合材料，其增加体一一维管束(VaSCUIarDistancefromsurtace.mmbund1.e）的强度大约是基体的12倍，弹性模屈是基体的23倍Iq图5竹茎的横极面图6竹的强度和密度随距外表面距离的变更在竹茎的横檄面上维管束的分布是不匀称的（图5）,外层竹青部分致密，内部竹肉部分渐渐变疏，内层竹黄部分乂变为另一种细密的结构，即竹材从外表面到内表面增加体呈梯度分布。竹材横戳面强度与密度的分布曲线如图6所示。这是一种特别合理的、能供应与风力作用卜径向弯曲应力相适应的强度分布的优化结构模式。依据这种曳合模式设计制备的结构仿竹纤维增加复合材料，其平均弯曲强度比具有同样数后纤维但匀称分布的复合材料的