仿生智能材料.pdfVIP

仿生智能材料

第一章绪论

1、基本概念

仿生学概念：人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历

了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和

特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自

然中获得解决问题的智慧和灵感。生物材料：通常有两个定义，一是

有生命过程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、

贝壳等），另一个是指生物医用材料(Biomedicalmaterials),其定义随

医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材

料。仿生材料（Bio-inspired）：受生物启发或者模拟生物的各种特

性而开发的材料。

材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结

构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体

系统功能的功能仿生。智能材料：具有感知环境（包括内环境和外环

境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度

响应的类似生物智能特征的材料。

2、智能材料的特征

具体地说，智能材料具备下列智能特性：

(1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如

应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等；

2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应；

(3)具有对环境变化作出响应及执行的功能；

(4)反应灵敏、恰当；

(5)外部刺激条件消除后能迅速回复

智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。

3、智能材料的构成

智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四

部分构成。它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系

统。

基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金

属材料，以轻质有色合金为主。

敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化（温度、

湿度、压力、pH值等）。

常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸

缩材料、电致变色、液晶材料等。

在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负

响应和控制的任务。常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁

致伸缩材料等可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然

起到了身兼二职的作用

4、智能材料的应用

（1）用于航空、航天飞行器：例：采用光纤传感器阵列和聚偏氟

乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进

行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统

采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他

原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。（2）用于建筑、工

程结构：例：可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加

热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配

上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和

主动控制裂纹

扩展的完整控制系统。

（3）用于日常生活：例：通用汽车已经在进行将智能材料应用在

其未来汽车产品中的研发工作。这些非常“聪明”的材料能够随着温

度、压力、磁场和电压等条件的不同变化，而相应改变自身的密度、

硬度，甚至外形。

2、自然界生物材料的微观结构有什么共同的特点？

第2章自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料

1、几个基本概念

接触角：固液界面的水平线与气液界面在三相交点O的切线之间

的夹角θ。(沿气液界面做切线，该切线与固体间的夹角）

滚动角概念及意义：概念：一定重量的液滴在一固体表面开始移

动所需的临界倾斜角。意义：

结构色：依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生

颜色。

光子晶体:指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于

半导体晶体对于电子行为的影响

2、植物叶表面的自清洁性

粗糙结构—荷叶效应

荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um，单个乳