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.     

仿贝壳珍珠母层状复合材料的制备及应用

贝壳珍珠母是一种典型的无机/有机复合生物材料,通常位于软体动物盔甲的内层来抵御捕食者的捕食和外力的侵扰,体现了优异的力学性能,实现了强度和韧性的完美结合.它由95%(体积比)的文石碳酸钙和5%(体积比)的生物高聚物规则堆叠而成,呈现出独特的"砖泥"结构,其优异的力学性能和这种独特的结构有重要联系.因此,贝壳珍珠母常被用来作为仿生材料设计的模板,引起了化学家、材料学家和生物学家的强烈关注.本文详细介绍了贝壳珍珠母的多尺度微观结构及其增强增韧机制;以仿生复合材料中无机物的种类作为分类依据,系统地总结了仿贝壳珍珠母层状复合材料的发展现状;从仿贝壳珍珠母层状材料的性能出发,探讨了其在轻质高强、阻燃、气障、传感器和超级电容器等领域的应用;简要地总结了现阶段仿贝壳珍珠母层状复合材料的发展优势以及遇到的挑战,为新一代仿贝壳珍珠母材料的研究提供依据.     

纳米碳复合材料的结构设计和功能仿生

高含量纳米碳复合材料能够更好地体现碳纳米管等纳米材料自身的性质.借助自然材料的结构设计和整合思想,使得高含量的纳米碳组装结构体及其复合材料具有结构的合理化、性能的优异化、材料的可控化和应用的高效化,这种方法也将成为未来纳米复合材料发展的重要方向.本文主要介绍了高含量仿生纳米碳复合材料加工过程、结构和界面的仿生设计思想,以及其在仿生智能驱动中的应用进展.     

基于树蛙脚掌的仿生六棱柱表面边界摩擦研究

湿润环境下软材料的摩擦受固液气多介质作用,一直都是摩擦理论的难点.师法自然,我们从自然界获取灵感,由树蛙脚掌能在湿环境中产生极强的摩擦力,来研究软材料在湿环境中的摩擦特性.本文表征了树蛙脚掌的结构和摩擦力,发现在边界摩擦状态下,界面间极薄的液膜有助于增大摩擦力.在树蛙脚掌湿摩擦力的启发下,设计制造出了一种仿生六棱柱增摩表面.通过对摩擦力表征发现,其边界摩擦能达到干摩擦的50倍.与光滑表面相比,仿生六棱柱表面能够产生稳定且持久的边界摩擦力,六棱柱表面亲水比疏水也有着更优异的边界摩擦性能.该研究结论有助于人们进一步认识软材料的湿摩擦机理,可以进一步帮助设计制造更强的湿吸附仿生表面.     

仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料,由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度,但是会导致"强韧性倒置"的矛盾,从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的"砖-泥"结构,进行仿生层状构型设计,是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。     

仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料，由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度，但是会导致“强韧性倒置”的矛盾，从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的“砖-泥”结构，进行仿生层状构型设计，是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

超音速等离子喷涂法制备La2O3和CeO2掺杂CoCrW涂层的摩擦学性能研究

利用一种新型的超音速等离子喷涂方法制备了稀土氧化物掺杂CoCrW涂层. 通过X射线衍射仪、接触表面形貌仪、显微硬度测试仪、多功能摩擦磨损试验机和具有EDS能谱的环境扫描电子显微镜对涂层的相结构、表面形貌、显微硬度、摩擦磨损性能进行了研究. 实验结果显示, 稀土氧化物掺杂涂层具有很高的显微硬度和优越的摩擦学性能. 同时, 对涂层的摩擦和磨损机理进行了研究.     

可控释淫羊藿苷的仿生组装骨诱导修复材料

中药来源的植物黄酮淫羊藿苷具有良好的成骨药理活性, 其来源广泛、价格低廉、性质稳定, 有望作为一种新的成骨因子应用于骨组织工程研究. 本研究采用原位复合和冷冻干燥技术, 探索性地仿生构建了淫羊藿苷-壳聚糖/羟基磷灰石(淫羊藿苷-CS/HA)复合材料, 并对其物理特征、力学性能、体外细胞相容性、药物控释行为和原位骨缺损修复进行了研究. 结果表明: 淫羊藿苷载药过程对CS/HA复合材料的物理结构无显著影响, 对其力学性能的影响与载药剂量相关; 该材料细胞相容性良好, 可诱导人骨髓间充质干细胞向成骨方向分化; 在体外释药缓慢, 对所载淫羊藿苷的控释时间可达90 d以上; 另外, 体内骨修复试验亦证明该材料具有良好的骨传导性和骨诱导活性, 能有效填充骨缺损并促进早期成骨. 这些结果都说明淫羊藿苷-CS/HA复合材料是一种理想的骨组织工程诱导修复材料, 其制备方法可为载药支架材料研究提供新的思路.     

自然界“军备竞赛”中的材料科学

自然界中的生物材料具有优异的力学性能与独特的功能特性,这主要归功于它们复杂而巧妙的微观组织结构。特别是在长期的自然选择与生存竞争中,生物体进化出各种各样的天然武器,实现强力攻击与稳固防御这两种本身相互矛盾的技能之间的完美平衡。探索自然界"军备竞赛"中的材料科学能够从仿生角度为人造材料的优化设计提供宝贵的启示和灵感。文章阐明了典型天然武器的种类、形式、组织结构和力学性能特征,提炼了它们同步实现进攻与防御效果的共性的内在设计原则,总结了这些原则在促进新型仿生人造材料、器件与装置研发方面应用的最新进展,并进一步探讨了生物力学与仿生材料研究面临的机遇与挑战。     

仿生石墨烯纳米复合材料及其在电子器件领域的应用

日益流行的柔性电子器件要求在反复变形状态下,材料仍能保持优异的力学和电学性能.而石墨烯作为一种二维(two dimensional,2D)碳纳米片,具有独特的力学和电学性能,成为构筑此类柔性电子器件的首选基元材料.然而,如何将石墨烯纳米片组装成高性能的石墨烯纳米复合材料,仍然存在巨大挑战.天然鲍鱼壳因其内部有序规整的层状结构和丰富的界面相互作用,而具有综合优异的力学性能.这种独特的界面结构设计,为2D纳米片仿生组装提供了新的思想源泉.本文按照"有所发现,有所发明,有所创造"的学术研究思路,总结了最近几年国内外课题组关于仿生石墨烯纳米复合材料(bioinspired graphene-based nanocomposites,BGBNs)的研究进展;分析了石墨烯层间不同的界面相互作用;详细讨论了基于协同效应,仿生构筑强韧一体化石墨烯纳米复合材料的策略;重点阐述了BGBNs的拉伸强度、韧性以及电导率等基本物理性能.最后,本文也简单概括了BGBNs在柔性电子器件领域的应用和潜在的挑战,并展望了BGBNs未来的发展方向.     

东方龙虱鞘翅: 形态学及力学性能研究

研究了东方龙虱鞘翅的拓扑结构及其鞘翅生物材料的力学性能. SEM观测表明鞘翅横向截面和纵向截面结构相同, 是一种具 “桥墩” 状连接的空腔轻质结构, 由致密的黑色外表皮层和其下数十层几丁质纤维层平行、螺旋交织构成的内表皮层组成; 纳米压痕仪测得新鲜鞘翅外侧区域的硬度和弹性模量分别为0.31和6.13 GPa; 拉伸实验得到新鲜鞘翅横向和纵向的强度极限分别为169.2和194.5 MPa; 干燥鞘翅对应的强度极限为85.38和90.91 MPa, 新鲜鞘翅的强度是干燥鞘翅值的2倍; 结果表明甲虫鞘翅是一种力学性能呈现拓扑分布规律的轻质生物复合材料, 该研究为航空航天材料的轻质结构的设计提供了生物学的参考.     

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.     

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.     

气凝胶复合材料中遮光剂及纤维的掺杂方法

二氧化硅气凝胶广泛用于各种航天器、飞行器的热防护中,添加遮光剂或纤维能大大改善其在高温下的隔热性能.本文通过计算辐射特性得到遮光剂和纤维不同温度下的最佳掺杂粒径,在复合材料等效热导率最小时得到最佳掺杂量,并应用优化结果设计了具有温度梯度的多层掺杂方案.研究发现:遮光颗粒和纤维的最佳掺杂直径随温度增加而减小,掺杂量随温度增加而增加,研究的4种遮光剂(碳黑、SiC、ZrO_2和TiO_2)中,碳黑具有最好遮光效果,但高温下会被氧化,SiC在高温下具有较好的遮光效果;石英纤维多层掺杂具有最小有效热导率,碳黑与SiC遮光剂和石英纤维共同掺杂对辐射传热的抑制最强.气凝胶复合材料背温实验结果有效证实了掺杂优化方法的正确性.     

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.     

超材料中的弹性波及其调控

<正>超材料是一类具有微结构的人工复合材料.通过巧妙的微结构设计,力学超材料可实现很多难以在自然界中发现的力学性能,包括低频禁带、准直聚能、单向传输、声波隐身和拓扑态等.这些反常力学性能使力学超材料得以突破传统材料的力学性能极限,为低频振动与波动的控制带来了颠覆性的技术革命.由于其材料性能的特殊性,力学超材料的概念自提出就引起了科学界和工程界的广泛关注,     

结构陶瓷特殊条件下力学性能评价的新技术与技巧

结构陶瓷大多应用于一些普通材料无法正常使用的特殊环境,在这些环境下常规的测试方法和测试仪器难以准确获得其力学性能参数.本文论述了结构陶瓷在典型应用条件下力学性能评价的一些难点问题和新的研究进展,如界面和表面性能评价、超高温极端环境下材料力学性能评价、陶瓷管材和环状脆性材料的力学性能检测、陶瓷涂层力学性能等.介绍了这些特殊条件下的结构陶瓷关键力学性能的测试新技术与技巧,如十字交叉法、局部受热同步加载法、缺口环法、相对法和痕迹法等多种新评价技术.以Ti3SiC2-Al2O3十字交叉样品、SiC/C复合材料、ZrO2光纤套管、SiC涂层和玻璃为实验对象,测试结果表明这几种新技术操作简单、准确可靠.     

海绵动物的演化意义及其生物硅的仿生应用

海绵动物是地球上最古老、最简单的动物, 但对它在生物进化中的定位却经历了一个漫长而复杂的认识过程. 作为“活化石”, 海绵动物为生物演化研究提供了最好的证据; 而对海绵动物研究更令人入胜的是近年来人们发现硅质海绵动物骨针的独特结构和良好光纤特性, 从而开辟了利用纳米生物技术进行仿生合成的广泛研究领域. 综述了海绵动物的发现及新的分子生物学进化证据, 骨针硅蛋白催化合成生物硅的研究进展及仿生合成在纳米生物技术和医学领域的潜在应用.     

谈谈磨擦学研究中的若干哲学问题

摩擦学是一门古老而又新兴的高度综合交叉的工程先导性学科.实验研究发现摩擦过程能够形成自适应性的表层结构,但这种结构和典型的“耗散结构”又有所差别;摩擦系数和磨损率随摩擦副的工作条件具有明显的非线性变化和突变效应;大多数摩擦过程是不可逆的,但在特殊工况下表现出来的可逆性为我们设计减摩耐磨表层提供了可能.摩擦失效既有渐进性的,又有突发性的,而后者可以用动力系统稳定性理论来研究和表示.本文从技术哲学角度对上述现象进行了分析.