高精度复合减阻鲨鱼皮复制成形研究

在对鲨鱼皮表面微米沟槽形貌进行高精度复制的同时, 实现纳米长链减阻界面的接枝合成, 是合成生物复制成形工艺应用于生物复合减阻结构高精度复制的新尝试. 以预处理的鲨鱼皮为微复制模板, 利用软刻工艺中的软模成型技术制备硅橡胶质弹性阴模板; 以水性环氧树脂与聚丙烯酰胺的接枝共聚物为基材, 对弹性阴模板进行复型翻模, 成形出一种兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌的复合减阻鲨鱼皮. 复制精度分析结果表明, 该工艺可以实现生物减阻表面复杂三维微形貌的高精度复制成形. 减阻性能测试结果表明, 复合减阻鲨鱼皮具有优异的复合减阻效应, 在测试速度范围内, 最高减阻率达到24.6%.     

仿生水稻叶表面制备及其润湿性研究

自然界中,水稻叶表面具有对水滴的各向异性滚动特性.正是由于这种优良的特性在功能表面、微流体等领域广泛的应用前景,水稻叶仿生研究逐渐成为研究热点.虽然最近有研究者成功地仿生了水稻叶的微结构和功能,但是技术手段比较复杂,也不能进行大面积制备.采用一种二次转写的方法来制备仿生水稻叶表面.所制备的表面能精确复制天然水稻叶表面的微纳结构,并能表现出良好的静态超疏水性.在动态疏水性方面,仿水稻叶表面也体现了非常明显的各项异性滚动特性.系统的测量表明平行叶脉方向和垂直叶脉方向的滚动角分别为25°和40°.这一技术快捷、可靠、无需昂贵的设备和复杂的工艺,实现了水稻叶大面积快速制备,在仿生功能表面方面有着广泛的应用前景.     

采用磁控溅射法复制Papilio maackii Ménétriés蝶的鳞片结构色

通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)试验观察,发现Papilio maackii Ménétriés蝴蝶鳞片具有多层薄膜堆结构.通过磁控溅射法(MS),在以单晶硅片为基底材料上,采用ITO(90%In2O3+10%SnO2)与Polymethyl Methacrylate(PMMA)两种材料复制了仿蝴蝶鳞片多层周期结构,并采用分光计对样品进行光学性能检测,试验结果显示:MS法复制的鳞片与实际蝴蝶翅膀具有相同的结构色效果,故本文所提出的MS法可以用来探索制备仿生生物结构色样品,为其他光学装置的制备研究提供借鉴.     

激光加工制备仿芦苇叶结构的超疏水表面

仿芦苇叶结构的超疏水表面在抗结冰、自清洁等领域有着重要的应用.但是,目前仍缺乏一种简单制备仿芦苇叶微纳米结构的方法.本文采用激光烧蚀手段制备基于聚二甲基硅氧烷的具有仿芦苇叶结构超疏水表面.激光烧蚀处理具有微光栅结构的聚二甲基硅氧烷,高能量激光作用时可以烧蚀出次级微纳结构,提高表面粗糙度,其浸润性各向异性明显,沿着垂直方向测量的接触角(～155°)比平行方向测量的接触角(～150°)大,达到超疏水,且沿着垂直方向测量的滚动角(～3°)比平行方向测量的接触角(～12°)小.本方法为激光制备仿生结构超疏水表面提供了新思路.     

超疏水表面形貌效应的研究进展

超疏水表面具有较好的疏水特性并且与水的接触角大于150°, 本文对超疏水表面疏水原因的理论分析和常用的制备方法做了较详细的总结, 介绍了微观形貌在疏水表面制备和减阻实验中的应用, 并提出目前有关超疏水表面仍未解决的问题, 最后对它的发展方向和前景进行了预测.     

激光结构化仿生表面

在优胜劣汰的自然法则下,生物体通过进化实现了对自然环境最大程度的适应性.向自然界生物体学习,研究其表面独特的结构和特异性功能已成为近年来研发新型材料的重要途径之一.其中,结构化仿生表面是复合材料的重要组成部分,已广泛应用于生物工程、航空航天、现代医学、国防、新能源器件及日常生活中.激光法制备结构化仿生表面是以工程仿生学为基础,采用不同激光光源加工样品表面来形成不同表面结构并实现特定性能的技术.本文主要总结了近期国内外激光结构化仿生加工领域的进展,探讨激光加工的结构化仿生表面在减黏降阻及超疏水等方面的应用,并对今后的工作进行展望.     

封面说明

<正>在自然界中,经过亿万年的自然选择,许多植物表面和动物体表展现优异的疏水特性.一些疏水表面具有自清洁、减阻耐磨、防腐和各向异性等特性.采用高速电火花线切割方法在铝合金表面制备出亚毫米级微观槽棱结构表面,再使用电刷镀工艺在槽棱结构表面上均匀地沉积镍原子,制备微-纳米结构,形成亚毫米、微米和纳米类水稻叶多尺度层级结构.电刷镀形成的双尺度微观结构是多尺度层级结构疏水表面获得疏水性的根本原因,     

仿生摩擦学研究及发展

在进化和生存竞争中, 生物形成了具有优异摩擦学性能的优化的结构设计、精巧的材料拓扑和多功能表面织构, 成为仿生摩擦学的楷模. 本文提出仿生摩擦学的定义和学科基础, 从流固界面的黏附与自清洁、生物脚掌与固体表面的黏附、生物表面磨损特性及仿生耐磨设计、流固界面的黏附及仿生等方面回顾了仿生摩擦学的研究和进展, 讨论了仿生摩擦学进一步发展存在的问题.     

磁小体蛋白介导磁性纳米颗粒仿生合成

趋磁细菌磁小体是由生物膜包裹且呈链状排列的磁性纳米颗粒,磁小体通过生物矿化形成的磁性纳米颗粒具有规则的形状、均一的粒径及较高的结晶度,引起了研究者的广泛关注.磁小体膜由磷脂和脂肪酸组成,磁小体膜脂质囊泡实际上是一个控制磁性纳米颗粒精确合成的纳米反应器.磁小体膜内的一系列生物矿化蛋白控制着铁的转运、铁的氧化还原、磁性纳米颗粒的形核以及生长.目前,磁小体生物矿化的具体机制尚未明确且磁小体难以实现规模化生产,因此引发了人们对仿生合成磁小体的研究.体内研究显示,磁小体蛋白如Mms6、MamC、MmsF、MamG和MamD对磁小体的尺寸和形貌具有重要的调控作用,被认定为用于仿生合成磁小体的最好候选蛋白.一些工作已经对源于趋磁细菌的Mms6、MamC、MmsF等重组蛋白介导的磁性纳米颗粒的仿生合成进行了研究.这些研究不仅能够帮助我们更好地理解磁小体的生物矿化过程,而且能够制备出高质量的类磁小体磁性纳米颗粒.本文重点综述了几种重要的磁小体蛋白在介导磁性纳米颗粒仿生合成方面的研究进展,并对其未来发展进行了展望.     

双光束激光干涉制备布基石墨烯仿生表面

提出一种利用双光束激光干涉系统制备多级石墨烯仿生表面的方法.利用Nd:YAG激光的双光束干涉系统在不同织物基底上对石墨烯氧化物薄膜进行干涉烧蚀,激光脱氧还原的同时产生石墨烯微纳结构.基底织物表面粗糙结构增大了石墨烯仿生薄膜表面粗糙度.布基的粗糙基底、激光烧蚀石墨烯微纳结构的双重作用形成多级结构的石墨烯仿生表面.这种石墨烯仿生表面不仅具有超疏水润湿性,还由于石墨烯微纳结构周期性而展现一定彩虹结构色.     

非光滑表面的仿生降阻研究

近年来的仿生研究发现土壤动物减粘降阻的机理之一是其具有各种非光滑触土体表.对非光滑表面的仿生应用所进行的一系列试验研究表明,非光滑表面能在一定程度上降低推土板的推土阻力,其效果受非光滑几何单元的几何尺寸、排布方式及数量密度的影响,若组合不当反而会增加推土阻力.迄今为止,对非光滑表面的试验研究均是按规则排布方式,本文以典型土壤动物——蜣螂的触土体表为仿生对象,研究具有仿生非光滑表面推土板的推土阻力及其随试验因素的变化规律.     

喷砂-电刷镀制备疏水耐腐蚀复合结构

采用喷砂-电刷镀相结合的方法,在碳钢表面制备出具有疏水耐腐蚀性能的微-纳复合结构.在最佳工艺参数下,获得接触角达到149.3°±2.5°的疏水表面.对喷砂-电刷镀相结合制备试样表面形貌、接触角以及耐腐蚀性进行表征.结果表明:喷砂与电刷镀结合工艺构筑的表面复合结构具有优异的疏水特性和良好的耐腐蚀性,且试样表面的平均腐蚀电流密度下降1~2个数量级,腐蚀电位也均有所提高.可见,通过在碳钢表面设计喷砂-电刷镀结合工艺构筑微-纳复合结构可以获得优异疏水耐腐蚀特性.     

天然树木和竹子纤维材料的力学性能及仿生研究进展

大自然中的天然生物纤维材料通常具有成分简单、结构精细、高强高韧和低摩擦系数等特性,是新材料设计的灵感源泉.仿生纤维复合材料在现代工业中有广泛的应用.揭示生物纤维复合材料的纤维素纤维丝分布、角度和密度以及界面结构、结合方式与力学性能、摩擦磨损性能之间的相互关系及机理,对相关材料仿生具有重要指导意义.树木和竹子是典型的具有优异力学性能的生物纤维复合材料,广泛被应用于各种传统建筑和舰船部件.本文对以树木和竹子为典型代表的生物纤维复合材料,及其仿生复合材料的纤维特征、力学性能和摩擦磨损性能在近期研究进展进行了综述,以期为相关仿生高强度、耐磨复合材料的设计、制备提供参考.     

仿蝗虫脚掌的机器人脚结构设计及其优化

基于蝗虫脚掌有利于稳定附着的主要几何形态和材料特性,设计了一种新型具花瓣型结构的机器人仿生脚掌结构,并利用非线性有限元方法对其进行了接触力学和抓地性能分析.同时,利用快速成型法制备了机器人仿生脚掌试样,对其进行摩擦性能实验,以验证有限元分析结果的可靠性,并在此基础上进一步对脚掌结构进行优化设计.研究结果表明,仿蝗虫脚的机器人脚掌结构具有优良的地面抓附能力.在保证机器人脚一定承载能力的条件下,花瓣数目越少,机器人脚掌的抓地性能越好.     

低温固化热致变色涂层辐射特性

以溶胶凝胶法制备的高纯La_(1-x)Sr_xMnO_3(x=0.125,0.175,0.2)纳米粉末为填料,分别以热塑性丙烯酸树脂和松油醇@乙基纤维素为基料制备成涂层浆料,并涂覆于铝基底表面,再分别以低温120℃和180℃固化La_(1-x)Sr_xMnO_3热致变色涂层.实验表征了纳米粉末的物相,表面形貌,观察了涂层的微观形貌.并利用稳态卡计法测量了热致变色涂层在173~370 K温度范围内全半球发射率随温度的变化.研究结果表明:两种不同树脂为基料的涂层都表现出热致变色特性,其发射率增幅达0.45.由于低温固化涂层制备工艺简单,能够适用于复杂表面的涂覆应用,在航天热控中具有潜在的应用前景.     

细菌表面镀镍的透射电子显微镜与原子力显微镜表征

近年来微生物细胞由于尺寸小、几何外形标准多样和资源丰富等特点成为制备金属纳米结构或材料极具吸引力的生物模板. 以典型的革兰氏阴性菌——大肠杆菌为模板通过无电子化学镀成功制备了具有标准杆状外形的表面镀镍的纳米金属材料, 并利用原子力显微镜和透射电子显微镜对化学镀镍前后的大肠杆菌作了形貌学上的表征、测量与对比. 结果显示, 空白对照菌表面平整光滑并在云母基底表面表现出较显著的铺展效应; 经过活化和化学镀镍后的菌细胞表面粗糙度明显增大, 并在基本保持原有菌模板外形的基础上, 其高宽比有所增大. 超薄切片结果表明, 菌细胞表面的金属镍镀层分布均匀, 其厚度处于纳米量级.     

聚碳酸酯静电纺丝微纳结构的形貌控制

生物检测、组织工程支架、过滤薄膜和催化剂载体等领域都需要比表面积较大的高分子薄膜. 聚碳酸酯(PC)具有优良的机械性能和生物相容性, 是合适的高分子薄膜备选材料. 静电纺丝是一种大规模制备微纳米纤维薄膜材料的简单而有效的方法, 静电纺丝薄膜具有较大的比表面积. 然而, 如何控制PC静电纺丝的形貌还很少系统研究. 本文主要报道如何制备连续、均一的PC静电纺丝. 我们分别将不同种类的表面活性剂(包括阴离子型、两性离子型、非离子型、阳离子型)加入到PC/氯仿溶液中, 进行静电纺丝; 结果只有在添加阳离子型表面活性剂才能够得到形貌均一的PC静电纺丝. 通过分析溶液的黏度、表面张力、电导率与静电纺丝产物形貌的关系, 发现添加阳离子型表面活性剂降低PC溶液的黏度是PC静电纺丝成功制备的主要因素, 相信PC静电纺丝形貌控制的研究对其他材料的静电纺丝制备有借鉴作用.     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

微晶与纳米硅薄膜表面形貌分形特征的研究

对纳米硅薄膜的微结构研究一直是这个领域中令人感兴趣的问题.Mandelbrot提出的分形理论可用于材料显微结构的定量表征,而分形维数是描述分形结构特征的一个重要几何参量.近年来,人们利用光学显微镜和SEM等手段对薄膜材料和金属断口的表面形貌进行了很多研究,但由于实验手段的限制,通常只能获得材料在微米尺度上的分形特征,而且存在实验过程和数据处理繁琐等缺点.80年代初发展起来的STM,具有纳米量级乃至原子量级的分辨率,能够非破坏性地直接获得样品表面形貌的实空间三维图象,便于进行数据处理,从而使人们可较方便地在纳米乃至原子尺度上对材料的表面进行研究.我们首先采用STM在纳米尺度上对不同工艺条件下按常规PECVD技术制备的微晶及纳米硅薄膜的表面形貌进行了观测,并结合分形理论计算了样品表面形貌的分形维数D,从而找到了D值与样品微结构参数之间的联系.1 实验过程实验所用的硅薄膜样品是在常规PECVD系统中,使用高比例的高纯氢稀释的硅烷作为反应气体,利用RF+DC双重功率源激励等离子体辉光放电制备得到的.薄膜样品的厚度～1μm,衬底为普通的玻璃片.样品表面微观形貌的观测是采用CSTM-9000型STM(中国科学院化学研究所生产)在常温和大气中完成的.观测前,样品在稀释的HF中漂洗,以除去表面上的氧     

光盘表面结构的软模板复制及图案化氧化锌薄膜的纳米压印制备

模板的制备和选择在纳米压印技术中非常重要. 采用廉价的光盘为模板, 利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇铸到光盘表面, 分离后复制得到光盘的负形结构. 采用纳米压印技术, 以PDMS 软模板作为印章对氧化锌纳米溶胶进行直接压印, 实现了氧化锌薄膜的表面图案化, 经煅烧后得到晶态氧化锌薄膜.