仿生材料

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3.2 自愈合混凝土
自然界的生物可以利用自修复 对已经损坏的组织进行修复。
自愈合混凝土能对裂纹的自我 修复，使混凝土能够主动、自 主的对损伤部位进行修复，恢 复并提高混凝土材料的性能。
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3.2.1 自愈合混凝土
自愈合混凝土是在自然自愈合的基础上使用一些工程技术提高混凝土 的自愈合能力。
L/O/G/O
仿生物材料
Contents
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1
仿生材料简介
2
仿生材料的分类
3 仿生材料的应用举例
1.1 仿生材料学的提出
1960年9月 J.Steele 正式提出仿生学的概念。他被定义为模仿生物 系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术具有或类似于生物系统 表征的科学。
仿生智能材 料
2.1 生物陶瓷及其复合材料
生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料， 即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶 瓷材料。广义讲，凡属生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。
氧化铝生物陶瓷材料 复合生物陶瓷材料
磷酸钙生物陶瓷材料
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Step 1
Step 2
Step 1 Step 2 Step 3
将内含粘结剂的空心胶囊包埋在混凝土中。 裂缝发生，胶囊破裂，释放粘结剂。 修复裂纹。
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Step 3
3.2.1.2多孔纤维网修复法
在含有单聚物的磷酸钙水泥基 材中加人多孔的编制纤维网。一旦 混凝土在外力作用下发生开裂，部 分纤维网破裂，粘结液流出深入裂 缝，粘结液可使混凝愈合。
3.3.3 自修复混凝土制备
修复纤维采用玻璃纤维,修复胶 粘剂采用低粘度的环氧树脂胶粘剂。
形状记忆合金及纤维管分布如图 所示。
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3.3.3 自修复混凝土效果
只有SMA修复时
梁在跨中竖向荷载作用下,裂缝宽度 随着试件挠度的增加不断增加。(a)、 (b)分别为试件在最大挠度时和卸载 以后的裂缝图案。从图中可以清楚的 看到:卸载以后,裂缝基本上闭合。
B 修复胶黏剂一般具有
毒性，很大程度上影响 了研究成果在工程中的 应用
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3.3.1自修复混凝土
模仿动物的骨骼组织结构受创伤后 的再生恢复机理，采用修复装置和混凝 土材料相复合的方法，研究出对损伤破 坏具有自修复和再生功能的材料，恢复 甚至可提高材料性能的一种新型高新 技术
2.3 仿生智能材料
仿生智能材料是指模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的的材料。
高分子凝胶材料
仿生智能材料
智能药物释放体系
仿生物薄膜材料
智能药丸
高分子凝胶材料
生物降解薄膜
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3.1 鲨鱼皮泳衣
鲨鱼皮泳衣，Speedo公司出产的一种模仿鲨鱼皮肤制作的高科技泳衣。 1999年10月，国际泳联正式允许运动员穿鲨鱼皮泳衣参赛。（2010年禁止使 用）
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Thank You!
鲨鱼皮泳衣：仿造鲨鱼皮结构，表面结构模仿V形皱褶，纵向排列V
形纹理。包裹了全身的泳衣有效地降低了水流和皮肤的摩擦力。采用 超声缝合技术，做到完全密封，无针脚。表面覆盖聚亚安酯，减小摩擦 增大浮力
效果：鲨鱼皮泳衣能降10％的水中阻力减少5％的氧消耗，提高2％的
成绩 。
3.2 自愈合混凝土
1976年唐山地震
将不含固化剂的环氧树脂， 在碱性的环境下， 环氧树脂具有缓慢硬化的特征，未硬化的环氧树脂被 已硬化的包住，而形成自封的微胶囊，一旦断裂产生， 微胶囊破裂愈合裂纹
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3.2.2 缺点探究
受到龄期、环境介质、
A
温湿度和外加剂等的影 响，耗时长，效果不明
显。
不足
C 施工过程中比较麻烦。
实验表明, 第二次弯曲实验中, 被粘结剂愈合 后的试件将能承受更大的荷载, 并且材料的 延展性、柔韧性也得到了较大的改善。
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第一次测试( 化学粘结剂释放之前) 第二次测试( 粘结剂释放进基体之后)
3.2.1.3 内掺有机物化合物法
在硅酸盐水泥中掺人特殊有机化合物，并搅 拌均匀．生成所谓“生物水泥”。
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3.3.3 自修复混凝土效果
同时有SMA和纤维修复时 修复后的变形趋势与修复前基本一致,修复后试件的开裂荷载有一定 的提高。这表明:试件在第一次试验破坏后其性能得到了恢复;开裂区 混凝土强度得到了提高。
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3.3.4 自修复混凝土优缺点
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1.3 仿生材料的研究内容
仿生材料和结构在新领 域中的应用 ,如在机器 人和航空结A构dd等Yo方ur 面Text
在生物结构的 力学分析A指dd导Yo下ur T,对ext 现有结构设计的优化
直接模仿生物体进行的材料制备与开发
仿生材料学
模仿生物体所进行的某些系 统的开发, 如超灵敏度机械接 收器等
形状记忆合金大大地提高了梁的变形能力，提高了混凝土的变形抗力 在荷载作用下,在梁的跨中附近出现裂缝, 裂缝宽度随着载荷 的增加不断增大;卸载后,裂缝基本上闭合 纤维管破裂、修复剂胶粘剂流入到裂缝中以后,将裂缝面重新粘结在 一起,修补了裂缝,使混凝土性能得到了恢复。
工程造价提高
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one
内置液芯胶囊法
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three
内掺有机化合物法
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多孔纤维网修复法
3.2.1.1 内置液芯胶囊法
将内含粘结剂的空心胶囊或玻璃纤 维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在 外力作用下发生开裂，部分胶囊或空 心纤维破裂，粘结液流出深入裂缝， 粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。
A
B 被动修复混凝土
主动修复
自修复混凝土
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3.3.2 自修复混凝土概论
智能自修复混凝土,是利用形状记忆合金（SMA） 的超弹性特性,结合修复胶粘剂对裂缝面的填充、 粘结功能现混凝土损伤、裂缝适时快速地自修复。
记忆合金充当骨架，连结液充当血肉
22
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Step 2
Step 3
高聚物反应释放水 分与水泥反应
Step 1
多孔（含有粘结剂） 纤维网包埋混凝土。
裂缝发生，纤维断
裂引发反应形成高 聚物。
Step 4 修补完成
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3.2.1.2多孔纤维网修复法
试验将空心玻璃纤维中注入高分子溶液作 为粘结剂, 埋入混凝土中，荷载导致修复纤 维开裂并释放粘结剂进入混凝土基体
在模仿过程中受到启发, 以所得 到的结构、化学等新概念, 进行 新Ad型d Y合ou成r Te材xt料的设计
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Add Your Te利xt用生物加工技术制备材料的力学行 为分析
2.分类
仿生物材 料
生物陶瓷及 其复合材料
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组织工程材 料
羟基磷灰石生物陶瓷材料 涂层生物陶瓷材料
2.2 组织工程材料
组织工程材料是由于替代某些生物体组织器官或恢复、维持 以及改善其功能的一类仿生材料。
应用类型
植入装置 体外装置 原位生长和修复
举例
人工血管 骨和软骨 人工胰脏 甲状腺 肾上腺
生物人工肝 神经再生 人工皮肤
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这款泳衣自投入市场以来，一路伴 随着泳坛的革命，已作古的44项世界 纪录中，居然有40项跟它有关。
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3.1 鲨鱼皮泳衣
鲨鱼皮：鱼的皮肤表面有许多粗糙的V形褶皱，这种褶皱可以分开
水流，使其高速从身体周围流过，减少游泳过程中水流产生的阻力。
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20年来，人们已经成功把木，骨和韧带的力学性能及其结构应用到 聚合物和符合材料等方面。对仿生学的研究不在局限于生物方面，仿 生学就被扩展成为一个涉及面非常广的科学，其中仿生学在材料科学 中的分支称为仿生材料学。
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1.2 仿生材料定义
仿生材料是一类模仿生物的各种特点或特性而开发的材料，通常 我们把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的 人工材料成为仿生材料。
1995年神户地震
2004年新泻地震
2008年汶川地震
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2010年智利地震
2015年尼泊尔地震
3.2 自愈合混凝土
混凝土结产生损伤积累和抗力衰减，从而不可避免地会产 生微开裂 。损伤的不断积累，导致了混凝土的微裂纹的产 生，如果不能及时修复，可能由此诱发宏观裂缝生成，降低 结构承受能力，甚至直接导致混凝土工程的崩塌。