21-22 简介+仿生材料.ppt

* 2.2.2 成分和结构仿生 动物的毛皮状结构特征及其仿生设计 动物的毛皮结构是由毛发和表皮组成，毛发和表皮没有明显的过滤层，经冷热变化也不会产生分离，而较硬的毛发层以不会影响皮肉的灵活运动。动物的毛皮结构是保护动物机体抵抗自然界风雨侵蚀和防止辐射的功能保护层。利用制备束丝纤维增强铝复合材料工艺基础制备碳化硅束丝纤维和铝复合的仿动物毛皮结构体。在这一复合体中碳化硅纤维不仅在铝基体中起到增强剂的作用，而且伸出铝表面形成了一层完整的纤维毛状覆盖层。由于SiC 纤维层和铝板表层无横向界面，所以不会因冷热循环造成界面分离破坏。SiC 束丝纤维有着良好的抗高温氧化能力。形成毛皮结构后，其纤维班盖层有良好的隔热性能。 * 壁虎 战斗机 * 第二章 结构仿生 神奇的仿生工程 * 课程主要内容 课程简介 * 第二章 结构仿生 * 结构仿生——以工程力学原理为基础，研究生物体不同结构层次(微观、细观、宏观)的形态以获得灵感，进而对材料、结构、系统进行仿生模拟，提高工程结构效率。 2.1 结构仿生简介 什么是结构仿生？ * 早期——模拟生物外形，随着对自然认识的深入和研究手段的进步，仿生学经历了从功能模拟到结构仿生再到信息仿生，从力学仿生到物理仿生再到化学仿生，从个体仿生到生态仿生再到控制仿生这样一个逐步发展的过程。 2.1 结构仿生简介 结构仿生的发展 * 2.1 结构仿生简介 苏联——水生动物(如海豚)皮肤形态的研究，为舰艇设计提供仿生思路； 英国——将断裂力学应用到生物复合材料研究，如应用鹿角韧性机理进行冲击防护设计； 中国——赵晓鹏等研究了短纤维增强复合材料的仿生模型，哑铃状纤维增强混凝土试验表明，可使材料的抗弯强度提高20％； 结构仿生的发展 * 研究哺乳动物骨骼截面形状与承力性能的关系； 研究骨结构流固耦合机理及对载荷分散的影响； 研究鸟类及昆虫的飞行机理，为飞行器设计提供了重要理论依据 ； 结构仿生研究已普遍运用有限元对生物结构进行力学性能分析、仿真和预测 结构仿生的发展 2.1 结构仿生简介 * 第二章 结构仿生 * 2.2 仿生材料 * 2.2 仿生材料 天然生物材料 具有适应其环境及功能需要的超复杂结构组装，其表现出的优异强韧性、功能适应性及损伤愈合能力，是传统人工合成材料无法比拟的。 甲壳虫坚硬的外壳 蜘蛛丝，比防弹背心还坚硬 * 仿生材料——受生物启发或模仿生物的各种特性而开发的材料。 2.2.1 仿生材料简介 什么是仿生材料？ 仿生材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学，其主要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上，发展新型医用材料，以用于人体组织器官修复与替代，发展仿生高性能工程材料。 * 仿生材料的研究内容 2.2.1 仿生材料简介 海鳗的发电器瞬间可以发出800伏的电压，足以电死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材，而是蛋白质的分子集合体。 * 2.2.1 仿生材料简介 深海里有一种软体动物，其身体由细胞材料所构成，却可承受很高的海水压力而自由地生存着。 仿生材料的研究内容 * 仿生材料的研究内容 研究内容——以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。 从仿生材料的使用场合来看可分为医用材料、工程材料和功能器件等。 从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面：成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。 * 2.2.1 仿生材料简介 仿生材料前沿 人造丝 早期：模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。 二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所) ,并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学) ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。 * 2.2.1 仿生材料简介 呼吸材料 动物有肺，能够分离空气中的氧气；鱼有鳃，能够分离溶解在水中的氧气，供给身体使用。人们仿造这种特性，制作了薄膜材料，用于制造高浓度氧气、分离超纯水等，以达到节省能源以及高分离率的目的。 目前人们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能的材料，如果研制成功的话，人类在水底世界的活动将发生一场新的革命。 仿生材料前沿 * 2.2.1 仿生材料简介 生物能够高效地进行各种能量间的转换。随着地球上现在所使用的能源逐渐枯竭，人类寻求新能源的任务已迫在眉睫，如果能够找到象某些生物那样能够高效率地进行能量变换或者能量重组的材料与方法,将为人类的未来带来希望和光明。 仿生