《生物信息与仿生材料测试技术》 课件 第4章 仿生结构化材料表征测试技术及基本原理.pptx

仿生结构化材料表征测试技术及基本原理第四章

01仿生结构化材料概述02仿生结构化材料形貌结构表征测试技术03仿生结构化材料物相成分表征测试技术04仿生结构化材料表面性能表征测试技术05仿生结构化材料力学性能表征测试技术06仿生结构化材料表征测试技术应用实例07本章习题目录2

01仿生结构化材料概述3

1.1仿生结构化材料简介自然界中的动物和植物在长期的生命进化过程中，为适应各种恶劣的自然环境，维系自身的生存和发展，形成了与环境和功能需求相适应的结构与功能。长期以来，大自然是人类社会科技进步的重要灵感来源，在动植物的启发下，人类创造出了能模仿自然生物特定功能的工具或材料，并且这些生物材料表现出传统人工合成材料无法比拟的优异性能（如图4.1所示）。这种从自然界汲取灵感并模仿生物系统中发现的显著特性和功能的一类材料被称为仿生结构化材料。图4.1具有不同仿生结构的镁-钛复合材料及其与天然生物材料原型的比较4

1.2仿生结构化材料研究内容仿生材料研究的主要特点是需要多学科交融发展以揭示大自然的奥秘，涉及到生物学、材料科学、工程力学和机械设计等多学科领域。仿生材料研究一般分为3个阶段：(1)对生物材料的结构和功能的认识和感知；(2)对生物材料性能的研究；(3)仿生设计阶段。第一阶段主要是从大自然中去探求那些具有优异独特功能的生物材料作为研究对象，从中寻求新型仿生材料的设计方法和灵感。第二阶段研究内容包括探究生物材料的表面织构、截面微结构、三维构型拓扑规律及其功能形态之间的关联性等，并结合工程力学测定其机械力学性能参数，研究材料的性能变化规律，从而揭示生物材料的构成机理和运行机制。第三阶段深入到仿生学的高度，建立仿生材料的创成技术来实现优于原生物材料的仿生设计方法和理念，由此研制新型仿生复合材料为人类所用。5

仿生材料的研究期望是通过结构仿生和功能仿生及其理论计算与模拟，获得高效、低能耗、环境和谐与快速智能应变的新材料及其新性质。仿生材料研究的方法包括：①明确目标材料存在的问题；②在自然界中寻找相关的材料体系，并研究其内部结构、性能的规律，发现其实质，直接或间接地获得灵感，启发思维建立模型并进行定量计算；③提出新材料模型，优化材料设计并用模型材料验证理论模型；④实际制备新材料，在制备应用过程中不断完善所建模型，并据此制备材料，直至可应用于实际工程中。1.2仿生结构化材料研究内容6

1.3仿生结构化材料设计为了实现对仿生结构材料力学性能的优化分析，需要有合适的方式制备仿生材料，实现对宏观大尺寸材料内部微纳仿生结构的精确控制。如表4.1所示，目前的仿生结构材料制备方法分类为化学反应法(如水热、等离子体处理、原子转移自由基聚合、选择性催化等)、机械处理法、物理气相沉积法(如激光沉积、磁溅射、分子束外延)、流体相分离法(如涂层技术、呼吸图案法、静电纺丝等)、结构整体制造法(如软复形法、3D打印)。表4.1各种仿生结构材料的制备方法7

1.4仿生结构化材料发展趋势仿生材料学综合了材料、生物、信息以及能源等多门学科与技术，立足于天然生物的优越性能和独特结构特征进行新材料的设计和制备；以仿生学为平台，不断优化和改进材料性能及结构设计理念，制备出各种性能优异的工程材料。近几十年来，仿生技术从宏观向微观发展，衍生出了形貌仿生、分子仿生等研究领域。其中形貌仿生通过模仿动植物的特殊形态或宏观结构，以实现特定的功能；分子仿生则通过模仿生物体内的酶的催化作用以及其他生物大分子的结构与功能，合成仿生材料，用于不同的研究领域。下面就近年来仿生结构及其功能材料在不同领域的研究进展逐一概述。8

1.4.1仿生垂直结构材料用于定向输运大自然为设计垂直结构提供了许多奇妙的原型。最近，研究人员受到原型的强烈启发，在功能材料中设计类似的垂直排列结构，因为天然垂直结构也能承受生物体或具有其他重要功能的物质，例如实现水、离子和营养的定向转移以及具有传感和粘附能力。

1.4仿生结构化材料发展趋势9

图4.2展示了一些源于自然原型的独特垂直结构。如图4.2a-d所示，天然树木垂直于地面，在宏观尺度上形成柱状结构。受树木传质的这些优点的启发，人们开发出了模仿这些垂直结构的人造材料，包括活体动物的器官，如野猪的胃、牦牛的角和龙虾牙釉质(图4.2e)。这些器官的微观结构呈现出垂直于外部环境的层状结构，可以在体外经受住任何强烈的冲击和攻击。受这些结构的启发，一些研究人员在聚合物复合材料中制造了类似的垂直结构，作为机械增强材料(图4.2f)。壁虎的脚趾是另一种常见的垂直结构原型(图4.2g)。脚趾上的毛发垂直于脚趾表面，对任何物体都有良好的附着力，并且可以可逆地剥离。图4.2自然界中的垂直原型，以及它们对应的仿生人造材料1.4.1仿生垂直结构材料用于定