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1、仿生复合材料仿生复合材料材料仿生探索的提出 由于结构多样和工艺复杂，复合材料的设计在实践上十分困难。人们知道，自然界的生物材料具有复合结构，经过亿万年自然选择与进化，形成大量天然合理的结构与形态。所有这些均可作为人们进行材料仿生研究的参考。Bionics Biomimetics 结构、功能 Bio-inspired 结构、功能、过程巧夺天工的生物材料巧夺天工的生物材料巧夺天工的生物材料巧夺天工的生物材料硅藻硅藻巧夺天工的生物材料巧夺天工的生物材料材料仿生探索的提出 生物材料 狭义：Biomaterial 广义 生物改进材料Bioimproved 分子生物材料Biomolecules 受生物启发
2、的材料和过程 Bioinspired 源于生物的材料生物材料的特点1.生物材料的复合特性生存下来的生物结构大都符合环境要求，并成功地达到了优化水平。木材：宏观结构是由树皮、边材和芯材组成复合材料。微观结构由许多功能不同的细胞构成。细胞壁可以看作多层的复合柱体。生物材料的特点2 生物材料的功能适应性无论是从形态学的观点还是从力学的观点来看，生物材料都是十分复杂的。这种复杂性是长期自然选择的结果，是由功能适应性所决定的。由于树木具有负的向地性，通常生长挺直，一旦树木倾斜，偏离了正常位置，便会在高应力区产生特殊结构，使树干重新恢复正常位置。这无疑说明树木具有某种反馈功能和自我调节的能力。生物材料的特
3、点3 生物材料的创伤愈合性断骨修复生物材料vs合成材料 生命过程的最大特点是能够通过新陈代谢进行自恢复、自修复和自我更新。从物理学的角度来看，生命体或生物体材料是一个开放体系，具有耗散结构，能够通过从外界补充能量和物质，通过自组织而再生，因而寿命可比无补充时成千倍地延长。工程材料则主要在制备阶段形成开放体系，而在使用阶段，当其承受载荷和在手损伤时也是一种形式的开放。但是人们很少着眼于内部结构和性能的回复和更新。复合材料的仿生设计之结构与功能仿生结构与功能仿生 仿生螺旋的增韧作用竹层的结构：维束管：增强体（包括筛管和韧皮纤维。实际上，韧皮纤维承担了绝大部分载荷。）包括筛管和韧皮纤维。实际上，韧皮
4、纤维承担了绝大部分载荷。）薄壁细胞：基体 排列方式！排列方式！（精细结构包含若干厚薄相间的层，每层中的微纤丝以不同的夹角分布。）（精细结构包含若干厚薄相间的层，每层中的微纤丝以不同的夹角分布。）仿生螺旋纤维增强材料空心柱、纤维螺旋分布、多层结构。制备工艺 血红细胞膜和仿生细胞膜涂层材料 其他？！复合材料的仿生设计之结构与功能仿生结构与功能仿生复合材料的仿生设计之结构与功能仿生结构与功能仿生Velcro 维可牢维可牢复合材料的仿生设计之结构与功能仿生结构与功能仿生鲨鱼皮泳装鲨鱼皮泳装超疏水仿生界面和多元微纳复合界面仿生材料大自然中的超疏水例子大自然中的超疏水例子Superhydrophobic
5、surface Lotus leaf超疏水和自洁效应超疏水和自洁效应Wetting Property Contact Angle Young s EquationSuperhydrophobic SurfaceConact angle 150,Sliding angle 5?The chemical compositions has limitation to get hydrophobic surface with CA more than 120.?The surface roughness can amplify both the hydrophility and the hydroph
6、obicity of the surfaceSuperhydrophobic surface Lotus leafHieratical structureLow surface energy coatingSuperhydrophobic surface Two Factors多元微纳复合结构多元微纳复合结构低表面自由能低表面自由能Possible mechanism of formation of MNBS of FPU/PMMA.Adv.Mater.2004,16,302-305SEM of FPU/PMMA coated surface.CA of water、oil drop on F
7、PU/PMMA coated surface.Adv.Mater.2004,16,302-305Adv.Mater.2006,18,767770Langmuir 2005,21,4713-4716Superhydrophobic surface Water striderAdv.Mater.2005,17(8),1005-1009Adv.Mater.2005,17(8),1005-10090.5mm0.5mm0.8mmSuperhydrophobic surface Namib Desert BeetleNano lett.2004,4(7),1349-1353CA 172 Nano lett
8、.2006,6(6),1213-1217Surface morphology with Ag(25,13h)9/3.28.5/3.27.2/3.2CA&SA differ at different ring size and distance on hieratical surfaceCA after alky(25,13h)9/3.2 sliding8.5/3.2 1707.2/3.2 125 CA&SA differ at different ring size and distance on hieratical surface定向自洁光学防雾光学防雾复合材料的仿生设计之过程仿生过程仿生生物矿化生物矿化