仿生复合材料课程论文

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1、仿生复合材料摘要：在当今这个科技飞速发展的社会，仿生复合材料的发展和研 究有一个非常好的前景，在我们生活中，所用的许多东西，所研究需 要的性能都离不开动物、植物机能的启发。如今，研究更多的仿生复 合材料对社会、人类已经成为一个热点话题。本文旨在通过对其概念 及研究内容、仿生材料的发展、设计与制备、应用前景等方面的阐述， 简单地介绍仿生复合材料。关键词：仿生复合材料1. 仿生复合材料的概念：仿生复合材料，更准确的的定义为仿生功能复合材料，顾名思义 它是一种向天然生物材料寻找启发仿照生物体结构特征与功能而设 计、制备的复合材料。而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

2、、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。2. 仿生复合材料的研究内容：目前，在高分子化学世界里，我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙 烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料，具有多种多样的功能。但是，人 类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。自然界 中有许多目前人类未知的材料，而这些千奇百怪的材料组合，形成强 大功能的材料，吸引了无数科学工作者的孜孜以求。因此一门新的学 科仿生材料在上个世纪应运而生。上文也提到，仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材 料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、 物理学等学科的交叉。通过以前的认识和了解，人类已

3、经知道地球上 所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成。虽然，动植 物自己身体所用的材料只是在有机系列里纤维素、木质素、甲売质、 蛋白质和核酸等细胞材料，但是其构造与组合却非常复杂。当人们 对这些生物现象以及生物本身的的物质组合有了充分的理解之后，把 它们应用于材料科学技术方面，就形成了仿生材料学。因此，仿生材 料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用 生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设 计与制作。通过对以前的知识的学习和认识，可以了解到生物材料最显著的 特点是具有自我调节功能，再者具有一些自适应和自愈合能力，因此 而研究的重要课题如下：(

4、1) 生物材料复合特性(2) 生物材料的功能适应性3. 仿生复合材料的发展20世纪80年代，生物自然复合材料极其仿生的研究在国际上引 起极大的重视，并取得一系列的研究成果。尤其一下为代表：(1) Sarikaya等研究了珍珠贝売的精致层合结构和力学机理， 并将其用于研究陶瓷一聚合物和陶瓷一金属复合材料，结果发现其断 裂韧性比按常规设计的复合材料的断裂韧性提高了 40%。(2) Gordon等用复合材料柱、板和夹心材料模仿在木细胞中发 现的螺旋结构做成玻璃纤维/环氧树脂仿木复合材料，结果发现其断 裂韧性也大幅度提高。上述两个例子则是仿生复合材料的起源，但实际上，材料仿生的 探索是从分析复合材料中

5、一些疑难问题开始的。这些疑难问题可以归 纳为如下几点：（1）连续纤维的脆性和界面设计的困难（2）纤维易由基体拔出导致增强失效（3）晶须的长径比不容易选择（4）寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到困难（5）需要寻找复合材料损伤性能的恢复和内部裂纹的愈合方法4. 仿生复合材料设计和制备由于自然界中所有材料都具有特定的结构，并且存在结构的多样 性和过程的复杂性，复合材料在实际的组织设计中很困难，幸运的是， 生物体经过长期的演变，其结构非常合理优越，这些优良的结构指导 人们进行复合材料的设计。在进行复合材料设计时，一些困难会经常遇到，如陶瓷纤维的脆 性和相界面设计；碎短纤维拔出能的增长和裂纹长度急剧变大的

6、矛 盾；提高强韧度的问题；提高性价比的问题等。但是仿生的设计方法 解决了一些问题。其实，仿生这个概念就是指以仿造生物或者植物的结构形态或者 制造的方式，实现功能和性能，比如荷叶。提到荷叶，就不得不提到 荷叶效应。荷叶效应一般也叫莲花效应，是莲花的自清洁现象。因为 荷叶是出污泥而不染的材料，他的表面是由微米和纳米组成的结构， 如果我们仿造这种结构做成高分子涂料的表面，可以不粘水，也不粘 污。还有仿造夹克虫背部的行为挖泥的斗，悉尼奥运会上用仿鲨鱼皮 游泳衣，实际上也都是一种仿生概念所得到的仿生材料。例如，鸡蛋 的売内膜其实是非常有趣的一个现象，鸡蛋売的内膜是不透水和透 氧，细菌进不去，鸡蛋永远是有

7、活力的，放一年以后还可以孵小鸡， 同时外面细菌进不去，我们就可以通过对鸡蛋売内膜的研究，来仿造 他的结构发明出更加先进的保鲜材料。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。不仅仅如此，仿生 复合材料不但可以按照生物体的结构来设计优良的结构材料，同时也 可以放其功能发展功能材料，这里就不再细说。提到仿生复合材料的制备，就必须提到加州大学劳伦斯伯克利 国家实验室生物分子材料研究项目负责人阿尔珀博士，他指出，在 过去10年内，工程师们认识到可以从生物体那里学到很多有关新材 料发明和器件制造的知识，因此掌握仿生材

8、料的制备刻不容缓。他认 为，揭开生物学秘密需分两步走：首先，研究人员必须了解生物体的 结构弄清生物体所表现出的机械特性是如何形成的；其次，专家们必 须确定如何在实验室中发现或合成新材料，使它们具有活体材料料的 功能和特性。通过发现自然界生物体的奇妙现象激发我们的灵感，并 且在实验室内实现对他的模仿并合成新型的材料，这就是仿生材料设 计与制备的基本思路。5. 仿生复合材料的应用前景仿生复合材料里，一个重要的应用便是仿生愈合。生物材料的 主要特征之一是具有再生机能，如伤口的愈合，组织再生，树根的自 愈合等。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

9、“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 激励技术人员开发更轻型的飞机，将生物模仿(biomimicry)技术引入 航空领域。提到仿生愈合，很自然的会联想想到自愈合抗氧化。所谓自愈合 抗氧化，是指某些材料通过氧化后形成致密的氧化物保护膜。在陶瓷、 碳复合材料中，存在着上述的自愈合抗氧化。如，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。通过这些应用，

10、 可以更加清晰的了解到，仿生复合材料的研究和发展，对人类未来科 技进步的重要意义。值得一提的是，国家对仿生复合材料有着优先支持的方向，主要 包括以生物材料表面结构为模板的仿生高分子表面研究，模拟生物材 料多级形态的仿生高分子本体材料及其性能研究，模拟生物体系的仿 生高分子材料的构效关系及其应变行为，与生物体系制备反应相似的 高分子高效制备的科学问题探索等。结语:几乎地球上所有生物都是复合材料，其中一些具有高强度和高模 量。与其他材料相比，生物材料具有的最显著的特点是具有自我调节 功能，生物材料能够一定程度的调节自身的物理和力学性质，以适应 环境。一些生物材料具有自适应和自愈能力，因此如何从材料科学观 点研究生物材料的结构和功能特点，并用以设计和制造先进的复合材 料，是当前的重大课题。在未来20年，人们将渴望制备出高性能、低成本的仿生材料， 仿生技术将在各种材料制备方面得到广泛应用。但是，尽管科研人员 已取得了许多可喜的进展，仿生材料的前景也十分的诱人，然而就仿 生学的整体而言，人类才刚刚起步，需要我们不断的去努力。