结构仿生材料的应用与发展前景

对早期资本主义社会的矛盾揭露
海豚是大海中的游泳健将 ，一方面是由于它的流线型体形， 另一方面是由于它特殊的皮肤构造 。 海豚的皮层结构由表皮、真 皮和由胶质纤维与弹性纤维 交错的结缔组织组成，但与 众不同的是，海豚的真皮层 上面有很多乳突，乳突之间 充满粘滞液体。这种皮层结 构在受到海水紊流的压力变 化时，流体随着压力的改变 流出或流入乳突，在此过程 中，紊流的部分能量就被吸 收，在很大程度上消除了水 流由片流变成湍流时产生的 振动，有效降低了游动能量 消耗。
这种人造海豚皮厚约3mm，由3 这种人造海豚皮厚约3mm，由3层橡胶薄膜组成：外层为 光滑柔软的“表皮层”，中间为附有密集排列橡胶小立柱 的弹性“真皮层”和与甲板接触的支持层。 鲨鱼皮肤布满微小的肋条状鳞片结构，这种带肋条的表面 能有效地降低鲨鱼肌体在水流冲击中的振动，从而大幅降 低游动阻力，打破了表面越光滑阻力越小的传统观念。 Speedo公司据此研究设计了仿生游泳衣这种仿生游泳衣仿 Speedo公司据此研究设计了仿生游泳衣这种仿生游泳衣仿 造了鲨鱼的皮肤结构。在它的表面有一系列的凹槽，与鲨 鱼皮上微细结构类似。这些凹槽可以在游泳者周围产生微 小的旋涡，能有效地引导水流，降低皮肤和肌肉的振动， 从而减小阻力。
2. 水流仿生减阻材料
水的阻力是影响舰船航速的主要因素，减小阻力就能有效提高 航速。水生物在漫长的生息繁衍岁月中进化出了效率很高的游 动机构及表面微结构，其表面摩擦阻力和压差阻力也都相当低。 因此，通过结构仿生学的研究，可设计出减阻效果更好的材料 微表面结构，且不会带来附加设备或额外能量消耗及空间占用， 在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法之一
二 仿生增韧陶瓷材料Байду номын сангаас
陶瓷材料的脆性和如何增韧是其应用的关键问题之一，也一直 是研究的热点。人们提出过长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散 强化、相变增韧等多项强韧化措施，也取得了积极的成果，但 仍没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题 。 自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近95％是普通陶瓷CaCO 自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近95％是普通陶瓷CaCO3， 但其综合力学性能优异，特别是断裂韧性，比单相CaCO 但其综合力学性能优异，特别是断裂韧性，比单相CaCO3陶瓷 高2～3个数量级。这说明贝壳珍珠层所具有的优异力学性能与 其独特的生物结构有密切关系。 贝壳珍珠层是由文石、晶片形成增强相的层状复合材料，占总 质量1％～5 质量1％～5％的有机质填充于无机相之间。层与层间的有机质 具有三明治式夹心结钩，外夹憎水的丝心蛋白质和亲水的酸性 蛋白质 。
四 仿生减阻材料
1. 泥土仿生减阻材料
在生产过程中，常常遇到土壤粘附在不同机械及触土部件 上，如犁、铁锹、铲等，粘附的土壤不但影响它们的运动 及工作质量，也增加了能耗。 蜣螂生活在粘湿环境中的土壤动物能够不粘附土壤而行动 自如 ，其原因一方面是由于其体表为憎水材料，另一方面 是其非光滑几何表面形态能存储空气，使体表与土壤表面 间存在一些间隙，有效地减轻大气对土壤的空气负压作用， 从而减弱了土壤对动物体表的摩擦磨损和黏附效应，这在 流体润滑理论中可以看作是气膜润滑方式。
参照蜣螂外壳的材料特性和非光滑表面形貌特性 , Qaisrani设计 Qaisrani设计 了仿生推土板并进行了减粘降阻试验，试验结果表明，仿生非 光滑犁壁具有较好的脱土性，可减小犁耕阻力15％～18％，节 光滑犁壁具有较好的脱土性，可减小犁耕阻力15％～18％，节 省油耗5％～12％。李建桥也在犁壁表面上随机布置凸包制成了 省油耗5％～12％。李建桥也在犁壁表面上随机布置凸包制成了 仿生非光滑犁壁，与普通犁壁相比降阻6%～12％。 仿生非光滑犁壁，与普通犁壁相比降阻6%～12％。
对早期资本主义社会的矛盾揭露
美国海军研究部门根据 海豚皮肤的结构特点， 找到一种接近海豚皮肤 的人造材料，模仿海豚 真皮层功能，仿制的 “人工海豚皮”用于潜 艇表面，还模仿鲇鱼表 面分泌的粘液，制成高 分子化合物，用来涂在 舰艇、船壳上，可减少 阻力50%，使潜艇的航速 阻力50%，使潜艇的航速 成倍提高。
对早期资本主义社会的矛盾揭露
文石晶体与有机基质交 替叠层的排列方式是抗 脆断的关键所在，由于 有机基质层强度相对较 弱，易于诱导裂纹在其 中偏转，从而阻止了裂 纹的穿透扩展。因此， 可以把珍珠层的结构抽 象为软硬相交替的多层 增韧结构，正是这种结 构组合赋予了贝壳珍珠 层极佳的断裂韧性。
以Si3N4／BN 陶瓷为例
基体片层的成型、界面层的涂覆、片层的排布、烧结
通过在Si 陶瓷中引入BN作为弱界面层，使得裂纹在弱界面 通过在Si3N4陶瓷中引入BN作为弱界面层，使得裂纹在弱界面 层中反复偏折，消耗大量的断裂能，获得了高韧性和断裂功的 Si3N4／BN层状陶瓷材料． BN层状陶瓷材料．
三 仿生粘附材料
在上百万年的生物进化过程中，一些动物(如壁虎、苍蝇、蜜 在上百万年的生物进化过程中，一些动物( 蜂、蝗虫等) 蜂、蝗虫等)的足掌获得了最佳的几何设计和生物材料特性， 保证它们能够在各种环境、不同材料、质构、粗糙度的表面上 运动和停留。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，能够攀墙自如、倒 挂悬梁，甚至在真空环境都能行走自如，并且路经之处不留任 何痕迹。
六 展望
通过不断从生物界获得灵感，结构仿生材料越来越向着微观 化、智能化发展，由功能材料构筑各种仿生微器件，并用之 组装不同结构和功能的仿生微系统是今后研究的重点，并将 在军事、工业、建筑业等领域获得广泛应用。仿生学是诸多 学科的交叉，尤其需要生物科学、材料科学、医学、化学和 工程力学等诸多学科技术专家的共同关注与参与。只有加强 多学科协作，才能支持结构仿生材料的深入研究，从而推动 技术创新。
壁虎能在光滑墙壁上行走自如，甚至能贴在天花板上的原 因。他们发现壁虎的粘附力取决于物理特性而不是表面化 学特性，即取决于壁虎脚底的刚毛尺寸、形状和刚毛的密 度，这种特殊的粘着力是由壁虎脚底约200万根直径约5µm 度，这种特殊的粘着力是由壁虎脚底约200万根直径约5µm 的细小刚毛与物体表面分子之间产生的范德瓦尔斯力累积 而成的。 要制造出“蜘蛛侠手套” 还要一段很长的日子， 尤其是要像壁虎那样， 在污秽、湿润或粗糙的 东西上行走，还需要突 破众多技术难题。模仿 壁虎脚掌的物料未来可 制成“步兵攀爬服”， 士兵穿上它就可像壁虎 般飞檐走壁。
显微镜下的鲨鱼皮肤。
鲨鱼皮泳衣的结构，V字型可以减少游泳时水流带来的阻力。
五 仿生减振材料
为减小冲击与振动，生活于复杂地形的动物行走肌体具有良 好的缓冲振动的能力。 Royal Veterinary大学的Wilson研究了马腿的肌腱减振结构， Veterinary大学的Wilson研究了马腿的肌腱减振结构， 对马下肢的结构、缓冲机理以及作用效果进行了分析，并提 出了一种概念全新的、可应用于工程的仿生缓冲结构材料。 此外，啄木鸟头部具有优秀的减振性能，其独特生物构造也 受到科研人员的关注，为高效的整体减振结构材料设计提供 了新思路。
结构仿生材料的应用与发展前景
一 仿生学与结构仿生材料
仿生学就是以自然界生物体的优异结构和特性为 研究对象，将 生物的结构性质、能量转换和信息过程应用于技术革新。近年 来，随着相关学科的发展及现代技术尤其是微观和宏观技术的 进步，仿生学得到了飞速的发展，特别是发达国家更是投人大 量的资金和人力抢先开展多方面的研究和产品开发。在国内， 仿生技术也受到了学术界和工业界越来越多的重视，国家自然 科学基金几乎每年都有相关的资助项目。 结构仿生材料研究是仿生学的一个重要分支，是研究生物材料 的结构特点、构效关系，进而对材料、结构、系统进行仿生模 拟，提高工程结构效率，属于化学、材料学、生物学、工程力 学等学科的交叉学科。