仿生復(fù)合材料

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1、仿生復(fù)合材料什么是仿生學(xué)？仿生學(xué)一詞是1960年由美國(guó)斯蒂爾根據(jù)拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nic”(“具有的性質(zhì)”的意思）構(gòu)成的 。仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理的科學(xué)。 仿生學(xué)的作用在生物千萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程后，往往會(huì)針對(duì)某一特定功能需求，而產(chǎn)生最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。人類在設(shè)計(jì)某些東西時(shí)，可以從生物結(jié)構(gòu)上得到一些靈感（如，雷達(dá)的產(chǎn)生），甚至直接套用生物結(jié)構(gòu)（如，鋸齒）。仿生學(xué)應(yīng)用舉例模仿白暨豚頭部造型的電動(dòng)車模仿白暨豚頭部造型的電動(dòng)車 生物材料人們知道，自然界的生物材料具有復(fù)合結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年自然選擇與進(jìn)化，形成大量天然合理的結(jié)構(gòu)與形態(tài)。所有這些

2、均可作為人們進(jìn)行材料仿生研究的參考。生物材料的復(fù)合特性生存下來(lái)的生物結(jié)構(gòu)大都符合環(huán)境要求，并成功地達(dá)到了優(yōu)化水平。如，木材宏觀結(jié)構(gòu)：由樹皮、邊材和芯材組成復(fù)合材料。微觀結(jié)構(gòu)：由許多功能不同的細(xì)胞構(gòu)成。細(xì)胞壁可以看作多層的復(fù)合柱體。木材宏觀結(jié)構(gòu)木材微觀結(jié)構(gòu)生物材料的功能適應(yīng)性無(wú)論是從形態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)還是從力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，生物材料都是十分復(fù)雜的。這種復(fù)雜性是長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果，是由功能適應(yīng)性所決定的。由于樹木具有負(fù)的向地性，通常生長(zhǎng)挺直，一旦樹木傾斜，偏離了正常位置，便會(huì)在高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生特殊結(jié)構(gòu)，使樹干重新恢復(fù)正常位置。這無(wú)疑說(shuō)明樹木具有某種反饋功能和自我調(diào)節(jié)的能力。樹的枝椏枝椏處的紋理仿生學(xué)=生物結(jié)構(gòu)

3、+工程技術(shù)生物結(jié)構(gòu)+復(fù)合材料技術(shù)=仿生復(fù)合材料仿生復(fù)合材料（bionics composite ）性質(zhì)：參照生物材料的規(guī)律設(shè)計(jì)并制造的復(fù)合材料。天然生物材料大都為復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化基本上都符合節(jié)約高效的優(yōu)化原則，即以最少的材料達(dá)到最高的效能。 仿生復(fù)合材料仿生復(fù)合材料就是向天然生物材料尋找啟發(fā)和模擬制造的。生物材料機(jī)理分析的任務(wù)就是從材料科學(xué)的觀點(diǎn)對(duì) 其進(jìn)行觀察、測(cè)試、分析、計(jì)算、歸納和抽象，找出有 用的規(guī)律來(lái)指導(dǎo)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和研制。 仿生復(fù)合材料例如，幾乎所有的植物纖維細(xì)胞都是空心的、多層的，而且往往是分叉的。以CVD法制備的仿生空心石墨纖維的強(qiáng)度與柔韌性均較實(shí)心者為佳。按照仿竹結(jié)

4、構(gòu)提出了一種碳纖維增強(qiáng)樹脂的優(yōu)化模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿竹材料的平均彎曲強(qiáng)度比具有同樣數(shù)量基體和增強(qiáng)纖維，但分布均勻者提高81%，最優(yōu)者高出103%。仿生復(fù)合材料不僅可以參照生物體的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)良的結(jié)構(gòu)用材料，同時(shí)也可仿效其功能發(fā)展功能材料。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)仿生生物材料中螺旋的增韌作用竹層的結(jié)構(gòu)： 維束管：增強(qiáng)體（包括篩管和韌皮纖維。實(shí)際上，韌皮纖維承擔(dān)了絕大部分載荷。） 薄壁細(xì)胞：基體復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)仿生排列方式：精細(xì)結(jié)構(gòu)包含若干厚薄相間的層，每層中的微纖絲以不同的夾角分布。（每層中的微纖絲以不同升角分布，通常厚層為310，薄層為3045。）竹纖竹纖維的維的結(jié)合結(jié)合方式方式仿生螺旋纖維增強(qiáng)材料用仿

5、生雙螺旋玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，所得層合板具有較好的斷裂韌性和抗扭強(qiáng)度。采用螺旋碳纖維制成的復(fù)合材料具有高的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性。結(jié)構(gòu)仿生舉例鯊魚皮微觀結(jié)構(gòu)鯊魚皮微觀結(jié)構(gòu)仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)的泳衣仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)的泳衣結(jié)構(gòu)仿生舉例 仿金恐龍魚的未來(lái)盔甲仿金恐龍魚的未來(lái)盔甲 在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上出現(xiàn)的士兵可能身穿一層與一種非洲魚“外衣”類似的防彈盔甲。這種非洲魚名為塞內(nèi)加爾多鰭魚，俗稱金恐龍魚，已經(jīng)有近1億年的歷史。目前，美國(guó)陸軍已向麻省理工學(xué)院的工程師提供資金，揭開構(gòu)成每個(gè)鱗片的多層材料如何排列進(jìn)而保護(hù)這種遠(yuǎn)古時(shí)代的魚免遭捕食者之口的秘密。研究人員在2008年夏季報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)，并計(jì)劃將發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)材料研制上，例

6、如為士兵開發(fā)防彈盔甲。 新概念魚鱗式盔甲新概念魚鱗式盔甲 金恐龍?chǎng)狋~金恐龍?chǎng)狋~ 復(fù)合材料的功能仿生1.超疏水界面仿生自然界中的超疏水復(fù)合材料的功能仿生（1）蟬翼不僅透明輕薄,而且其表面有非常好的超疏水性和自清潔性。蟬翼的厚度大約在810m,而且蟬翼的上下表面都是由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成的。這些納米柱的直徑大約在80 nm左右，納米柱之間的間距大約在180 nm左右。此外，納米柱的高度大約在200 nm左右復(fù)合材料的功能仿生（2）水滴在荷葉表面的接觸角和滾動(dòng)角分別為161.02. 7和2這樣強(qiáng)的超疏水能力和不黏附的特性使荷葉產(chǎn)生了自清潔效應(yīng)。荷葉表面由許多直徑為59m的乳突構(gòu)成,而每個(gè)乳突又

7、是由平均直徑為124. 33. 2nm的納米結(jié)構(gòu)分支組成。（參考,高雪峰，江雷.天然超疏水生物表面研究的新進(jìn)展.物理）復(fù)合材料的功能仿生超疏水應(yīng)用可自潔的涂料可自潔的涂料復(fù)合材料的功能仿生2.自修復(fù)功能仿生在自然界中，生物材料在受到損傷后，往往能自我修復(fù)，如，骨折的愈合，樹木的結(jié)痂愈合。那么能不能研究出具有自愈性能的材料呢？復(fù)合材料的功能仿生英國(guó)工程與科學(xué)研究委員會(huì)的研究人員正在開發(fā)一種特殊的復(fù)合材料，這種材料在受到擠壓或損壞時(shí)會(huì)“流出”樹脂，有效形成可修復(fù)受損處的“痂疤”。這項(xiàng)創(chuàng)新可能會(huì)顯著提高航空安全，同時(shí)激勵(lì)技術(shù)人員開發(fā)更輕型的飛機(jī)，將生物模仿(biomimicry)技術(shù)引入航空領(lǐng)域。 英國(guó)開發(fā)自愈材料可讓受損飛機(jī)自我修復(fù)英國(guó)開發(fā)自愈材料可讓受損飛機(jī)自我修復(fù)