仿生材料研究进展.ppt

仿生学（Bionics）碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人壁虎脚的粘力仿生材料(BiomimeticMaterials)仿生材料的定义DefinitionofBiomimeticMaterials1.天然生物材料与生物医学材料1.1天然生物材料（BiologicalMaterials）1.2生物医学材料（BiomedicalMaterials）生物医学材料要直接与生物系统结合，除应满足各种生物功能和理化性能要求外，还必须具有与生物体的组织相容性，即不对生物体产生明显的有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身的效能和使用寿命。医学临床对所用生物材料的基本要求包括：材料无毒，不引起生物细胞的突变和组织反应；与生物组织相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等；化学性质稳定，抗体液、血液、及酶的腐蚀和体内生物老化；具有与天然组织相适应的物理、力学性能等。为满足上述要求，生物医学复合材料是较佳选择。医用金属、高分子材料、生物陶瓷等均可作为生物医学复合材料的基体或增强体，经过适当的组合、搭配，可得到大量性质各异、满足不同功能要求的生物医学复合材料。此外，生物体中绝大多数组织均可视为复合材料。
通过生物技术，把一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子等引入生物医学材料，给无生命的材料赋予生命的活力，并使其具有药物治疗功能，成为一类新型生物医学复合材料——可吸收生物医学复合材料，这些材料的发展为获得真正仿生的复合材料开辟了途径。2.材料仿生与仿生工程材料2.1.成分仿生羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)羟基磷灰石(HA)膜层制备2.2结构仿生天然生物材料几乎都是复合材料，不同物质、不同结构、不同增强体形态和尺度的复合使得天然生物材料具有远远超过单一常规材料的综合性能。模仿天然生物材料特殊精巧的结构特征或者从中得到启发而制备出类似结构特征的材料的仿生设计，称为结构仿生。结构仿生的目的就是研究天然生物材料这些天然合理的复合结构及其特点，并用以设计和制造先进复合材料。1）增强体形态仿生：图1竹纤维的精细结构图2增强纤维的仿生模型(a）
和一束传统增强纤维模型(b)动物的长骨一般为中间细长、两端粗大、过渡圆滑的哑铃形结构，既有利于应力的减缓，又避免了应力集中，与肌肉配合使肢体具有很高的持重比。模仿这种结构[1]，把短纤维设计成哑铃形，并计算出端球与纤维直径的最佳比值，用这种形态增强体制得的复合材料强度提高了1.4倍。
深扎在土壤里的树根和草根不仅可以吸收水分和养料，保证草木生长并树立于风雨中不被吹倒或拔起，而且还可防止水土流失，加固河岸与堤坝。模仿树根和草根的结构，人们提出了分形树纤维模型（图3）。理论和实验证实，具有分叉结构的纤维拔出力和拔出功随分叉角的增加而增加，这种根茎分叉状形态的增强体可同时提高复合材料的强度和韧性。甲壳的纤维片条中存在许多“钉柱”以及由“钉柱”支撑而形成的空隙，这样的结构形式使材料既较轻而又具有较好的刚度和面内抗剪强度,满足了昆虫外甲壳自然复合材料对提高材料强度、刚度、减轻材料重量以及释放或减轻材料内应力的要求。在昆虫外甲壳中的传感器官和传输物质的管道及孔洞附近的纤维具有较高的密度及保持连续地绕过,这与孔边的高应力场相适应,当外甲壳发生断裂时在这些地方遇到强烈的抵抗而消耗大量的能量,使材料在孔洞附近具有很好的强度和止裂能力。据此结构制备的复合材料有更高的强度和断裂韧性[17]。2)增强体与基体组合方式仿生常见的结构类型如图4所示[18]，不同结构对应不同的性能。鲍鱼的壳体具有典型的珍珠层结构，碳酸钙薄片与有机质按照“砖与泥浆”形式砌合而成。碳酸钙为多角片状，厚度为微米量级：有机质为片间薄层，厚度为纳米量级。海螺壳则为层片交叉叠合结构，层厚10~40μm，各层取向互成70°~90°的夹角。研究表明，碳酸钙晶体与有机基质的交替叠层排列是造成裂纹偏转产生韧化的关键所在。一般说来，珍珠层结构具有比交叉层片结构更高的强度和断裂能，而后者在阻止裂纹扩展方面更具优势。
图4几种常见的贝壳的微观结构
（a）珍珠层（b）叶片层（c）陵柱层（d）交叉叠层（e）复合层片根据文石板片堆砌方式的不同珍珠层可分为两类：砖墙型（brick-wall）和堆垛型（stack-up）。
珍珠层的生长模型主要有细胞内结晶细胞外组装说、隔室说、矿物桥说和模板说等。
基于对海洋贝类壳体的结构与性能的研究，可抽象出一种材料模型，即硬相与韧相交替排布的多层增韧模型。根据这一模型，人们开展了仿贝壳陶瓷增韧复合材料的研究，部分研究成果目前，仿生增韧陶瓷的叠层尺度都在微米以上，而实际的贝类珍珠层则是纳米级的微组装结构，正是这种特定的有机—无机纳米级复合的精细结构决定了其具有优异的性能。
实际上，纳米复合材料广泛存在于生物体(如植物和骨质)中，但直到80年代初才