结构仿生材料的应用与发展前景.ppt

* * 结构仿生材料的应用与发展前景 一 仿生学与结构仿生材料 仿生学就是以自然界生物体的优异结构和特性为 研究对象，将生物的结构性质、能量转换和信息过程应用于技术革新。近年来，随着相关学科的发展及现代技术尤其是微观和宏观技术的进步，仿生学得到了飞速的发展，特别是发达国家更是投人大量的资金和人力抢先开展多方面的研究和产品开发。在国内，仿生技术也受到了学术界和工业界越来越多的重视，国家自然科学基金几乎每年都有相关的资助项目。 结构仿生材料研究是仿生学的一个重要分支，是研究生物材料的结构特点、构效关系，进而对材料、结构、系统进行仿生模拟，提高工程结构效率，属于化学、材料学、生物学、工程力学等学科的交叉学科。 对早期资本主义社会的矛盾揭露 二 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 。 自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近95％是普通陶瓷CaCO3，但其综合力学性能优异，特别是断裂韧性，比单相CaCO3陶瓷高2～3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系。 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1％～5％的有机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，外夹憎水的丝心蛋白质和亲水的酸性蛋白质 。 文石晶体与有机基质交替叠层的排列方式是抗脆断的关键所在，由于有机基质层强度相对较弱，易于诱导裂纹在其中偏转，从而阻止了裂纹的穿透扩展。因此，可以把珍珠层的结构抽象为软硬相交替的多层增韧结构，正是这种结构组合赋予了贝壳珍珠层极佳的断裂韧性。 以Si3N4／BN 陶瓷为例 基体片层的成型、界面层的涂覆、片层的排布、烧结 通过在Si3N4陶瓷中引入BN作为弱界面层，使得裂纹在弱界面层中反复偏折，消耗大量的断裂能，获得了高韧性和断裂功的Si3N4／BN层状陶瓷材料． 三 仿生粘附材料 在上百万年的生物进化过程中，一些动物(如壁虎、苍蝇、蜜蜂、蝗虫等)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、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、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。 壁虎能在光滑墙壁上行走自如，甚至能贴在天花板上的原因。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200万根直径约5μm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。 要制造出“蜘蛛侠手套”还要一段很长的日子，尤其是要像壁虎那样，在污秽、湿润或粗糙的东西上行走，还需要突破众多技术难题。模仿壁虎脚掌的物料未来可制成“步兵攀爬服”，士兵穿上它就可像壁虎般飞檐走壁。 四 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粘附土壤而行动自如 ，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，这在流体润滑理论中可以看作是气膜润滑方式。 对早期资本主义社会的矛盾揭露 参照蜣螂外壳的材料特性和非光滑表面形貌特性 , Qaisrani设计了仿生推土板并进行了减粘降阻试验，试验结果表明，仿生非光滑犁壁具有较好的脱土性，可减小犁耕阻力15％～18％，节省油耗5％～12％。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6%～12％。 2. 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，在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法之一 对早期资本主义社会的矛盾揭露 海豚是大海中的游泳健将 ，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 。 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。这种皮层结构在受到海水紊流的压力变化时，流体随着压力的改变流出或流入乳突，在此过程中，紊流的部分能量就被吸收，