第8章 仿生復(fù)合材料

1、1 仿生復(fù)合材料仿生復(fù)合材料2自然界的生物材料 復(fù)合是自然界的基本規(guī)律 天然材料是最完美的材料，天然材料是最完美的材料， 人的心臟，人的心臟，75*60分分*24小時(shí)小時(shí)*365天天*80年年 =3，153，600，000跳跳/一生一生 該完美的特性就來源于復(fù)合與該完美的特性就來源于復(fù)合與自修復(fù)自修復(fù) 34567美國(guó)新經(jīng)濟(jì)雜志Business 2.0預(yù)期，仿生是未來人類開創(chuàng)更美好新世界的八大科技之一！ 生物的骨骼構(gòu)造比鋼鐵強(qiáng)硬；啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；蜘蛛絲有五倍鋼鐵的硬度與延展性；墨魚的瞬間加速可以達(dá)到每小時(shí)20哩；蜂鳥飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司的能量；蝙蝠的回音定位使

2、用促進(jìn)了雷達(dá)開發(fā)改進(jìn)； 蓮花效應(yīng)有絕佳的抗污性和疏水性 自然生命世界蘊(yùn)藏所有科技的奧秘與答案。 8 仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，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)的研究主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。 仿生學(xué)的范圍很廣，信息與控制仿生是主要領(lǐng)域。一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段，使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑戰(zhàn)。人工智能和智能機(jī)器人研究是仿生學(xué)研究的主攻方面。 由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，搞清某種生物系統(tǒng)的機(jī)制需要相當(dāng)長(zhǎng)的研究周期，而且解決實(shí)際問題需要多學(xué)科長(zhǎng)時(shí)間地密切協(xié)作，這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的

3、主要原因。9昆蟲的特異功能 視覺功能 通訊功能 建筑功能 存活了3億年的昆蟲10視覺功能 復(fù)眼為許多單眼的結(jié)合，可使焦距大幅縮短 應(yīng)用復(fù)眼機(jī)制，可制造出極薄的感知器11通訊功能 昆蟲的觸角可感知區(qū)區(qū)1個(gè)分子，并找出數(shù)公里外的氣味源 模仿家蠶蛾的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出氣味源探測(cè)器12建筑功能 六角形組成的的蜂巢結(jié)構(gòu)，既輕又堅(jiān)固 日本新干線車廂采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu) 此結(jié)構(gòu)也用于機(jī)翼上13存活了3億年的昆蟲-蟑螂 從感知風(fēng)速到逃跑只需0.044秒，人類需要0.3秒 尾肢可對(duì)秒數(shù)2公分的風(fēng)做出反應(yīng) 可做微流速感知器14仿生材料科技的新思維 多從自然界動(dòng)植物中尋求靈感 從事以生物為材料主體的研究 再生利用, 源源不

4、絕的概念15一、仿生壁虎膠帶 壁虎膠帶壁虎膠帶16 電鏡顯示, 壁虎腳上有密集的剛毛, 長(zhǎng)度為30 130m 的剛毛, 每只腳上就有近50萬(wàn)根剛毛, 并且每根剛毛又有400 1000 根直徑為0.20.5 m 的細(xì)分叉, 因此壁虎與附著物體有極大數(shù)目的接觸點(diǎn), 總的范德華力相當(dāng)大, 足以支持壁虎的全身重量。171819Geim et al.Nature Materials, 2003; 26218: 1 3.模擬剛毛細(xì)分叉模擬剛毛細(xì)分叉2021二、荷葉效應(yīng) 2223荷花效應(yīng) 主要是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。由于蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會(huì)因表面張力的作用形成水珠，換

5、言之，水與葉面的接觸角會(huì)大于150度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會(huì)滾離葉面。因此，即使經(jīng)過一場(chǎng)傾盆大雨，蓮葉的表面總是能保持干燥；此外，滾動(dòng)的水珠會(huì)順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達(dá)到自我潔凈的效果，這就是蓮花總是能一塵不染的原因。 24為什么會(huì)有這種“荷葉效應(yīng)”？l用傳統(tǒng)的用傳統(tǒng)的化學(xué)分子極性理論化學(xué)分子極性理論來來解釋，不僅解釋不解釋，不僅解釋不通，恰恰是相反。通，恰恰是相反。l從從機(jī)械學(xué)的粗糙度機(jī)械學(xué)的粗糙度、光潔度、光潔度角度來解釋也不行，角度來解釋也不行，因?yàn)樗谋砻婀鉂嵍雀具_(dá)不到機(jī)械學(xué)意義上的因?yàn)樗谋砻婀鉂嵍雀具_(dá)不到機(jī)械學(xué)意義上的光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗光潔

6、度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。糙程度。 經(jīng)過經(jīng)過2位德國(guó)科學(xué)家的長(zhǎng)期觀察研究，即在位德國(guó)科學(xué)家的長(zhǎng)期觀察研究，即在1990年年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。25Prof. Dr. Wilhelm Barthlott26 荷葉粗糙表面上有微米結(jié)構(gòu)的乳突，平均直徑為5-9um，單個(gè)乳突又是由平均直徑約為124.3nm的納米結(jié)構(gòu)分支組成，乳突之間的表面同樣存在納米結(jié)構(gòu)。微米微米- -納米的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)納米的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)27在荷葉表面微米結(jié)

7、構(gòu)的乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，這種微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)是引微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)是引起表面超疏水的根本原因起表面超疏水的根本原因，而且，如此所產(chǎn)生的超疏水表面具有較大的接觸角及較小的滾動(dòng)角。另外，在荷葉的下一層表面同樣可以發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)，它可以有效的阻止荷葉的下層被潤(rùn)濕。 28單一微米或納米結(jié)構(gòu)示單一微米或納米結(jié)構(gòu)示意圖（上）意圖（上）微米微米- -納米的分級(jí)復(fù)合結(jié)納米的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)示意圖示意圖（下）（下）由于微、納米結(jié)構(gòu)并存，大量空氣儲(chǔ)存在這些微小的凹凸之間，水珠只與荷葉表面乳突的部分蠟質(zhì)晶體絨毛相接觸。293031表面細(xì)微的納米結(jié)構(gòu)在自潔功能上扮演著關(guān)鍵的角色l以荷葉

8、為例，水珠與葉面接觸的面積大約只占總面積的23%c若將葉面傾斜，則水珠被迫以滾動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。c滾動(dòng)時(shí)，會(huì)順便吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面J達(dá)到清潔的效果。32l相形之下，在同樣具有疏水性的光滑表面c水珠只會(huì)以滑動(dòng)的方式移動(dòng)c并不會(huì)夾帶灰塵離開L因此不具有自潔的能力。 表面細(xì)微的納米結(jié)構(gòu)在自潔功能上扮演著關(guān)鍵的角色33蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀由微米尺寸的鱗片交疊由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個(gè)鱗片上分布有排列覆蓋，每一個(gè)鱗片上分布有排列整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，每條帶由整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，每條帶由傾斜的周期性片層堆積而成傾斜的周期性片層堆積而成。昆蟲翅膀表面的自清潔性昆蟲翅膀表面的自清潔性34RORO不

9、滾動(dòng)不滾動(dòng)蝴蝶蝴蝶以身體為中心軸向外發(fā)散方向（以身體為中心軸向外發(fā)散方向（RORO方向方向）傾）傾斜，水滴易滾動(dòng)；反向斜，水滴易滾動(dòng)；反向傾斜，水滴不能滾離；垂傾斜，水滴不能滾離；垂直直RO的兩個(gè)方向，水滴不易滾離。的兩個(gè)方向，水滴不易滾離。35荷葉效應(yīng)在日常生活中的應(yīng)用荷葉效應(yīng)在日常生活中的應(yīng)用l在自然界中，植物總是暴露在各種污染源當(dāng)中，c例如灰塵、污泥，還有一些有機(jī)的細(xì)菌、真菌等。c荷葉上復(fù)雜的納米與微米級(jí)結(jié)構(gòu)除了有自潔的功能外，還可以防止受到細(xì)菌、病原體的感染，c只要經(jīng)過一場(chǎng)大雨的洗禮，就能恢復(fù)煥然一新。l目前荷葉效應(yīng)的概念主要是應(yīng)用在防污防塵上，c通過人工合成的方式，將特殊的化學(xué)成分加

10、入涂料、建材、衣料內(nèi)等等，c使其具有某些程度的自潔功能，以實(shí)現(xiàn)防水防塵的目的。 36 功能性涂裝材料 ex:油漆 包括防水底片、防水噴霧劑；外衣、鞋子、車子的外殼、反光鏡、安全帽鏡片、廚具、瓦斯?fàn)t等容易臟污的器具表面，甚至飛機(jī)的表面 37水黽水黽的腿能排開300倍于其身體體積的水量，它的一條腿能在水面上支撐起15倍于身體的重量，它在水面上每秒鐘可滑行100倍于身體長(zhǎng)度的距離。 水水黽穩(wěn)定的水上運(yùn)動(dòng)特性是黽穩(wěn)定的水上運(yùn)動(dòng)特性是源于特殊的微源于特殊的微/ /納米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)和油脂的協(xié)同效應(yīng)油脂的協(xié)同效應(yīng) 三、水黽38蟲腿在刺穿水面前的最深水窩側(cè)面圖,接觸角167.64.4 39水黽腿部的微米剛毛

11、與納米溝槽結(jié)構(gòu)電鏡照片 水黽水黽的腿部有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛（直徑3um），剛毛表面形成螺旋狀的納米溝槽結(jié)構(gòu)。40水黽是利用其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)，將空氣有空氣有效地吸附在這些同一取向的微米剛毛和螺旋狀納效地吸附在這些同一取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤(rùn)阻礙了水滴的浸潤(rùn)，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性。 41 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員以多孔狀銅網(wǎng)為基材，并將其制作成數(shù)艘郵票大小的“微型船”，然后通過硝酸銀等溶液的浸泡處理，使船表面具備超疏水性。這種微型船不但可以在水面自由漂浮，且

12、可承載超過自身最大排水量50%以上的重量，甚至在其重載水線以上的部分處于水面以下時(shí)也不會(huì)沉沒。 船表面的超疏水結(jié)構(gòu)可在船外表面形成“空氣墊”，改變了船與水的接觸狀態(tài)，防止船體表面被水直接打濕。 模仿水黽模仿水黽-新型超級(jí)浮力材料新型超級(jí)浮力材料42模仿水黽模仿水黽“水上漂水上漂”功夫的機(jī)器人功夫的機(jī)器人 43 人們從天然生物的研究中得到啟示，天然的生物材料，人們從天然生物的研究中得到啟示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、貝殼等，它們雖然如竹、木、骨骼、貝殼等，它們雖然具有簡(jiǎn)單的組成具有簡(jiǎn)單的組成，但是但是通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)組合，賦予這些生物材料具有通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)組合，賦予這些生物材料具有非

13、常好的綜合性能非常好的綜合性能。 因此，在材料的設(shè)計(jì)和研究中，引入了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因此，在材料的設(shè)計(jì)和研究中，引入了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想思想 ，通過，通過“簡(jiǎn)單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)”的精細(xì)組合，來實(shí)的精細(xì)組合，來實(shí)現(xiàn)材料的現(xiàn)材料的高韌性、抗破壞及使用可靠性特性高韌性、抗破壞及使用可靠性特性。四、貝殼44貝殼貝殼的成分的成分主要是碳酸鈣主要是碳酸鈣和和少量的殼少量的殼基質(zhì)基質(zhì)構(gòu)成，這些物質(zhì)是由外套膜上皮構(gòu)成，這些物質(zhì)是由外套膜上皮細(xì)胞分泌形成的。細(xì)胞分泌形成的。貝殼的結(jié)構(gòu)一般可分為貝殼的結(jié)構(gòu)一般可分為3層：層： 最外一層為最外一層為角質(zhì)層角質(zhì)層，很薄，透明，有，很薄，透明，有光澤，光澤

14、，由殼基質(zhì)構(gòu)成由殼基質(zhì)構(gòu)成，不受酸堿的侵，不受酸堿的侵蝕，可保護(hù)貝殼。蝕，可保護(hù)貝殼。 中間一層為殼層，又稱中間一層為殼層，又稱棱柱層棱柱層，占貝，占貝殼的大部分，殼的大部分，由極細(xì)的由極細(xì)的棱柱狀棱柱狀的方解的方解石石（CaCO3, 三方晶系）三方晶系）構(gòu)成構(gòu)成。 最內(nèi)一層為殼底最內(nèi)一層為殼底,即即珍珠質(zhì)層珍珠質(zhì)層，富光，富光澤，澤，由小平板狀的結(jié)構(gòu)單元累積而成由小平板狀的結(jié)構(gòu)單元累積而成、成層排列，組成成分是成層排列，組成成分是多角片型多角片型的的文文石結(jié)晶體（石結(jié)晶體（CaCO3, 斜方晶系）斜方晶系）。 文石文石貝殼和珍珠的層狀疊片結(jié)構(gòu)與仿生貝殼和珍珠的層狀疊片結(jié)構(gòu)與仿生45 對(duì)貝殼珍

15、珠層的結(jié)構(gòu)分析表明其并不是單純的層片結(jié)構(gòu)對(duì)貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)分析表明其并不是單純的層片結(jié)構(gòu)，而，而可以看成可以看成兩級(jí)尺度結(jié)構(gòu)的藕合兩級(jí)尺度結(jié)構(gòu)的藕合。在珍珠層的。在珍珠層的一級(jí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)上一級(jí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)上，增強(qiáng)增強(qiáng)元文石薄片的面層與貝殼表面平行元文石薄片的面層與貝殼表面平行，具有，具有(510)(510) m m (510) (510) m m (0.31.5) (0.31.5) m m的典型尺寸，整個(gè)的典型尺寸，整個(gè)薄片在同一層面內(nèi)以薄片在同一層面內(nèi)以小于小于15nm15nm的的有機(jī)物粘合有機(jī)物粘合，形成所謂硬層，形成所謂硬層（即文石晶片層）。（即文石晶片層）。這些硬層再以這些硬層再以厚約厚約3

16、0 nm30 nm的的有機(jī)物粘合有機(jī)物粘合起來，形成軟硬相間的層狀結(jié)構(gòu)起來，形成軟硬相間的層狀結(jié)構(gòu)。 有機(jī)基質(zhì)層有機(jī)基質(zhì)層對(duì)裂紋擴(kuò)展起到偏轉(zhuǎn)和橋接作用對(duì)裂紋擴(kuò)展起到偏轉(zhuǎn)和橋接作用，使裂紋擴(kuò)展途徑。，使裂紋擴(kuò)展途徑。46 珍珠具有珍珠具有類似于貝殼珍珠層的疊片累積結(jié)構(gòu)類似于貝殼珍珠層的疊片累積結(jié)構(gòu)。 這種微觀結(jié)構(gòu)模式與貝殼珍珠層的差別僅在于，這種微觀結(jié)構(gòu)模式與貝殼珍珠層的差別僅在于，在貝殼的珍珠層是在貝殼的珍珠層是沿貝殼的表面沿貝殼的表面鋪排構(gòu)成層的，鋪排構(gòu)成層的，而珍珠中的珍珠層而珍珠中的珍珠層包圍核心鋪排包圍核心鋪排成層。貝殼珍珠成層。貝殼珍珠層之所以得名，是因?yàn)樗矊又缘妹?，是因?yàn)樗?/p>

17、具有珍珠光澤具有珍珠光澤。47貝殼和珍珠在斷裂前能經(jīng)受較貝殼和珍珠在斷裂前能經(jīng)受較大的塑性變形，具有優(yōu)異的高大的塑性變形，具有優(yōu)異的高韌性。其主要原因是由于韌性。其主要原因是由于裂紋裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維（晶片）拔出以及偏轉(zhuǎn)、纖維（晶片）拔出以及有機(jī)基質(zhì)橋接有機(jī)基質(zhì)橋接等各種韌化機(jī)制等各種韌化機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。而這些韌化協(xié)同作用的結(jié)果。而這些韌化機(jī)制又與珍珠層的特殊組成、機(jī)制又與珍珠層的特殊組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。貝殼是的強(qiáng)、韌的最佳配合貝殼是的強(qiáng)、韌的最佳配合,它又被稱為它又被稱為摔不壞的陶瓷摔不壞的陶瓷。48陶瓷強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)：陶瓷強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)： 簡(jiǎn)單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)；簡(jiǎn)單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)； 引

18、入弱界面層；引入弱界面層； 非均質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非均質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)49 多數(shù)昆蟲都利用節(jié)肢彈性蛋白跳來跳去。也有些昆蟲，比如蟬、蛾和甲殼類動(dòng)物，把它當(dāng)作“鼓”來制造聲響。如果昆蟲外殼含有節(jié)肢彈性蛋白，原本僵硬的軀體就能靈活伸縮。白蟻王后能“拖著”一包沉重的卵四處移動(dòng)，都是由于節(jié)肢彈性蛋白的作用。 五、節(jié)肢彈性蛋白50跳蚤節(jié)肢彈性蛋白 而澳大利亞的科學(xué)家日前宣布，他們已經(jīng)成功利用跳蚤身上的特殊組織合成出一種超彈性材料，并可能生產(chǎn)出全世界最完美的橡膠。他們還表示，這種節(jié)肢彈性蛋白未來的應(yīng)用前景非常廣泛，如在工業(yè)中用于高效能橡膠，醫(yī)學(xué)上用于脊椎盤移植、心臟和血壓的替換，甚至可能用于增加跑鞋后跟的彈力。

19、 51 蝴蝶翅膀上的斑斕色彩，其實(shí)是鱗粉上排列整齊的次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射日光的結(jié)果。20um10um六、蝴蝶翅膀52仿蝴蝶結(jié)構(gòu)仿蝴蝶結(jié)構(gòu)5354天然蛋白生物材料，是一種由不同氨基酸單元(主要為丙氨酸和甘氨酸單元)組成的鏈段共聚物。1.1.天然蜘蛛絲：天然蜘蛛絲：“生物鋼生物鋼”七、天然蜘蛛絲和蠶絲蛋白仿生材料 55天然蜘蛛絲具有軟段區(qū)域和硬段區(qū)域, 即無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)形成的微相分離結(jié)構(gòu)。結(jié)晶相以納米晶的形式分散在無(wú)定形相中,拉伸時(shí)沿軸向取向。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)決定決定性能性能562.2.蠶絲：蠶絲：“纖維皇后纖維皇后” 蠶絲由20 多種氨基酸組成, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 內(nèi)層為絲素蛋白, 外層被絲膠蛋白包覆。 蠶絲優(yōu)異的力學(xué)性能優(yōu)異的力學(xué)性能： 沿纖維軸向既有較高的剛性和強(qiáng)