复合材料论文

论文题目：仿生复合材料的最新进展 学院： 材料与冶金学院 班级： 金属材料工程0904班 姓名： 郭芳 学号： 200902127109 二一二年四月十三日 仿生复合材料的最新进展 摘要：自然界中一些生物体的优异结构和特性给人类在不断制造和更新新型材料的过程中带来灵感和启发。根据这些生物体的优秀特征综述仿生材料的主要设计思想和方法，重点分析目前一些典型仿生材料如仿生复合材料、贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿乍材料、竹纤维仿生材料、仿生纳米材料等设计和制备研究的新进展和存在的困难，并提出一些新的材料设计思想方法和制备的模型，对仿生材料的设计和研究等均具有指导意义，并对仿生材料的发展前景进行了展望。 关键词：仿生材料，设计，制备，进展 Abstract：The excellent structures and properties of some living creatures inspire people to make and update new materialsAccording to those outstanding characteristic of living creatures，we summarized the improvement and some difficulties in the designing and fabrication of some typical biomimetic materials such as biomimetic composition material，biomimetic shell material，biomimetic spider silk material,biomimetic bone materialbiomimetic bamboo fibre material and biomimetic nanometer materialSome new designing methods and fabrication models which are important for biomimetic materials design were pointed outThe prospect of biomimetic material in the future was given Key words：biomimetic material，design，fabrication，progress 前言对于许多技术问题，今天我们仍然一筹莫展，但在自然界中，早已存在着解决方案，仿生学就是从自然界中寻求灵感的技术创新。同样，仿生复合材料具有的精妙结构和形态吸引了众多的工程结构设计者和材料科学家们的兴趣。如今人们业已开展了天然生物材料的结构仿生、模仿生物体形成中形成材料的过程仿生和模拟生物材料和系统的功能仿生研究，其成果在航空材料、生物医用材料、纺织材料等方面得到了广泛应用。1 常见的十大仿生技术 1.1 塑料涂层 塑料涂层的学习对象是鲨鱼。细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多高，他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上，尽管不是故意的。事实上，美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁长达一亿多年。如今，正是由于鲨鱼这一特性，细菌感染可能会重蹈恐龙的覆辙从地球上彻底消失。与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼布伦南带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开进一步研究以后，他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌的涂层材料。今天，该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料涂层，目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验，比如开关、监控器和把手。迄今为止，这种技术看上去确实可以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标：下一步是开发一种可以消除另一个常见感染源尿液管的塑料涂层。 1.2 音波手杖 音波手杖的学习对象是蝙蝠。这听上去就像一个糟糕玩笑的开头：一位大脑专家、一位生物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发生在英国利兹大学，几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手杖的问世：这是一种盲人用的手杖，在靠近物体时会振动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样的感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波脉冲，并等待它们返回。当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表明附近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不仅可以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶的事物，比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正试图利用同样的技术，开发出适销对路的产品。 1.3 新干线列车 新干线列车的学习对象是翠鸟。日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合每小时193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治介入了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气，形成了一堵“风墙”。当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水一样“穿透”隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类翠鸟的行为。翠鸟生活在河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀子一样，瞬间穿越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安静地离开隧道。事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出15%。 1.4 风扇叶片 风扇叶片的学习对象是驼背鲸。美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克费什教授表示，他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到，驼背鲸的鳍状肢可以从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起，它们在水下可以令鲸鱼轻松在海洋中游动。但是，根据流体力学原则，这些隆起应该会是鳍的累赘，但现实中却帮助鲸鱼游动自如。于是，费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞，看它挑战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得状肢更符合空气动力学原理。费什发现，它们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成鳍不同部分，就像是刷毛穿过空气一样。费什的发现现在叫做“结节效应”，不仅能用于各种水下航行器，还应用于风机的叶片和机翼。根据这项研究，费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片，令其空气动力学效率比标准设计提升20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片，不久将开始申请使用其节能技术，用以改善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为，在风力涡轮机的叶片增加一些隆起，将使风力发电产业发生革命性变革，令风力的价值比以前任何时候都重要。 1.5 太阳能电池板 太阳能电池板的学习对象是马勃菌。橙黄色的马勃菌海绵并不多见，它基本上是一种生活在海底的“碰碰球”。马勃菌海绵并没有任何的附肢、器官、消化系统和循环系统，无时无刻不在过滤水体。然而，这种并不招摇的生物或许会是未来技术革命的催化剂。马勃菌海绵的“骨骼”是由众多格子状的硅钙物质构成，事实上，它类似于我们用以制造太阳能电池板、微芯片和电池的材料，但有一点不同：我们在制造这些材料时需要大量能量和各种各样的有毒化学物质。马勃菌海绵显然在这方面做得更好：它们只要向水中释放特殊的酶，从中吸收硅钙，就能把这两种化学物质变成需要的外形。美国加州大学圣巴巴拉分校生物技术教授丹尼尔摩斯研究了马勃菌海绵酶的特性，并在2006年成功进行了复制。他通过清洁、效率很高的海绵技术制出大量电极。当前，多家公司将投资数百万美元创建一个企业联盟，将类似产品推向市场。几年以后，当太阳能电池板忽然出现在美国每家每户的屋顶上，微芯片只卖几美元的时候，千万不要忘了感谢让这一切成为现实的不起眼的马勃菌。 1.6 在水面行走的机器人 在水面行走的机器人的学习对象是蛇怪蜥蜴。蛇怪蜥蜴常常被称为是“耶稣蜥蜴”，这种称呼还是有一定道理的，因为它能在水上走。很多昆虫具有类似本领，但它们一般身轻如燕，不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因为它能以合适的角度摆动两条腿，令身体向上挺、向前冲。2003年，卡内基梅隆大学的机器人技术教授梅廷斯蒂正从事这方面的教学工作，重点是研究自然界存在的机械力学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力学案例时，他深受启发，决定尝试制造一个具有相同本领的机器人。这是一项费时费力的工作。发动机的重量不仅要足够的轻，腿部还必须一次次地与水面保持完美接触。经过几个月的努力，斯蒂和他的学生终于造出第一个能在水面行走的机器人。尽管如此，斯蒂的设计仍有待进一步完善。这个机械装置偶尔会翻滚，沉入水中。在他克服了重重障碍以后，一种能在陆地和水面奔跑的机器人便可能见到光明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质，甚至在洪水期间帮助营救灾民。 1.7 多刃锯 多刃锯的学习对象是树蜂。树蜂利用这些针状物(有时比整个身体还长)在树上钻洞，然后在里面“寄存”幼仔。多年来，生物学家一直不清楚树蜂“钻头”的用法。与需要外力的传统钻洞方法不同，树蜂可以从任何角度毫不费力地钻洞。经过几年的研究，科学家最终发现，树蜂的两根针状物可以深入木头，然后像拉链一样锁起来锯东西。英国巴斯大学的天文学家认为，树蜂的“钻头”在太空大有用武之地。长久以来，科学家为了在火星上寻找生命，他们必须在火星表面凿洞。但是，在几乎没有重力的火星环境下，他们不清楚是否能找到可以在坚硬表面凿洞的压力。受树蜂的启发，研究人员设计出一种一侧有多余刀刃的锯子，让它们像树蜂的“钻头”一样互相推。从理论上讲，这套装置可以用于在无任何重力的流星的表面凿洞。 1.8 X光透视机 X光透视机的学习对象是龙虾。X光透视机大而笨重是有原因的，与可见光不同，X光不喜欢弯曲，所以难以操作。我们对机场包裹以及医院患者进行扫描的唯一途径是，用一连串放射物同时轰击他们这便需要仪器的个头很大。但是，生活在水下300英尺(约合90米)处的龙虾却具有“X光视线”，而且性能远远超过我们的X光透视机。与人眼(必须由大脑解读所折射的图像)不同，龙虾可以直接看到反射的图像，将其聚焦于某一个点，全部在此聚集以后形成图像。科学家多年来就试图找到“偷学”龙虾这种技巧的方法，用于制造新型的X光透视机。“龙虾眼X光成像仪”(LEXID)是一种便携式“手电筒”，可以看穿3英寸(约合8厘米)厚的钢板。这套仪器可以射出一串细细的低功耗X光穿透物体，无论碰到什么东西，都会在另一端恢复原状。正如在龙虾的眼睛一样，返回的信号通过小管中转生成图像。美国国土安全部已投资100万美元用于“龙虾眼X光成像仪”的研发，希望用它去探测违禁物品。 1.9 保存疫苗 保存疫苗学习的对象是还魂植物和水熊虫。当事情不妙的时候，装死显然是不错的选择。这是大自然两种最具耐力的生物还魂植物和水熊虫的座右铭。科学家或许会利用这两种生物的惊人生物化学特性，用于拯救发展中国家的数百万条生命。还魂植物(Resurrection plan)是指在干旱时节枯萎，看上去枯死一样的沙漠苔藓。可一旦下雨，它们会再次生机勃发，好像一切都没有发生似的。水熊虫具有类似的装死本领，这种只能在显微镜下看到的动物会在某一段时间内停止一切活动，承受对人类来说最为残酷的环境。它们可以在接近绝对零度和300华氏度以上的极端温度下存活，一滴水不喝也能活上十年，承受辐射的能力是地球上其他动物的1000倍，甚至还能在真空状态下存活。在正常条件下，水熊虫看上去就像是四肢胖乎乎的睡袋，可一旦遭遇极端条件，它们便像霜打的茄子一样枯萎。如果环境重新回归正常，小家伙只要一点儿水就又能焕发生机。还魂植物和水熊虫生存之道在于冬眠。在此期间，它们会用一种糖(最终变得如玻璃般坚硬)替代体内所有水分，结果令其陷入一种假死状态。尽管这种方法不适于人类用糖取代血液中的水分会令我们一命呜呼，但的确可以用于保存疫苗。据世界卫生组织估计，全世界每年有200万儿童死于疫苗本身可以阻止的疾病，如白喉、破伤风、百日咳。因为疫苗具有一些活物质，一旦遭遇温度过高的环境会立即死去，所以，将疫苗安全送达需要它们的地方极为困难。这也是英国一家公司从还魂植物和水熊虫的生活习性吸取经验的原因。他们开发出一种特殊的防腐剂，可以将疫苗内的活物质变成盖玻片水珠，令疫苗在酷暑中也能存活一周多的时间。 1.10 汽车车板 汽车车板的学习对象是巨嘴鸟。巨嘴鸟的喙大而厚重，本应该让这种鸟儿不堪重负。但是，正如果脆圈(一种谷类早餐)爱好者告诉你的一样，“巨嘴鸟山姆”(果脆圈品牌的吉祥物)只会因此感到幸运。这是因为巨嘴鸟的喙简直是工程学上的奇迹。它十分坚实耐用，可以啄穿最硬的水果外壳，还是对付其他鸟类的有力武器，而它们的密度却与保丽龙杯一样。美国加州大学圣迭戈分校工程学教授马克梅耶斯为揭开巨嘴鸟的喙特性之谜花费了大量心血。乍看上去，它好像是包了一层硬壳的泡沫，如摩托车头盔。然而，梅耶斯发现，所谓的“泡沫”其实是由小脚手架和细细薄膜构成的复杂网络。脚手架本身由厚重的骨骼构成，但它们的间隔十分有序，使得整个喙的密度只有水的十分之一。梅耶斯认为，通过模仿巨嘴鸟喙的特性，我们可以开发出更坚实、更轻便、更安全的汽车车板。今天的汽车已经广泛采用了这项技术。2 天然生物材料的结构特征及其相应的复合材料 2.1 蛛丝的结构特征及其仿生材料 蜘蛛丝具有极好的机械强度，其强度远高于蚕丝、涤纶等一般的纺织材料，刚性和强度低于钢材，但其断裂能位于各纤维之首；蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类和环境都是友好的；蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量，是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外，蜘蛛丝还具有信息传导，反射紫外线等功能。这些卓越的性能与其结构是的特异性是分不开的。蜘蛛丝的基本组成单元是氨基酸，尽管不同腺体分泌出的丝以及不同种类的蜘蛛丝氨基酸的组成存在较大的差别，但所有的蜘蛛丝最重要的组成单元均为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸。在蜘蛛丝中含结晶区和非结晶区，结晶度约为蚕丝的55-60。结晶区主要有聚丙氨酸链段，为B一折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线方向呈反方向平行排列，相瓦间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片之间的距离为0。93157nm。侧基较大，且其中含有活性基团，不利于肽链的整齐排列而形成非结晶区。在非结晶区，大分子多呈B一螺旋结构。由于结晶区主要有小侧基氨基酸链段组成，氨基酸之间以氢键结合，因而分子间的作用力很大，沿着纤维轴线方向排列的晶区使纤维在由外力作用时有较多的分子链承担外力作用，故蜘蛛丝具有很高的强度。蜘蛛丝良好的弹性被认为时非结晶区的贡献。非结晶区的分子链呈13一折叠链栅片在X轴方向的尺寸为6nm，在z轴方向为2nm，沿横向方向分布有60条分子链。这一B一折叠链栅片可以看作是多功能的铰链，在非结晶区内形成一个模量较高的薄壳，是丝线具有较高的模量和良好的弹性。蛛丝的结晶区与非结晶区给予人们启示。Cornel 1大学的学者发现，组成蛛丝氨基酸的甘氨酸和丙氨酸与蛛丝的令人难以置信的强度有关。研究表明：蛛丝的坚硬性使其适合于做高级防弹衣。现在防弹衣是用13层KELVARII制成的，但是蛛丝的坚韧性是KELVAR II的3倍，其超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效的减速，起到很好的消力作用。1997年DrBasel表示已知道蜘蛛丝完整的基因，并能在大肠杆菌发酵罐生产。达到每一顿培养液得到数公斤蛛丝蛋白的成绩。进一步的研究使人们发现，具备蛛丝特征结构的蛋白质应具备与蛛丝相近的力学性能。有人把蜘蛛丝蛋白质的基因移植到山羊的乳腺细胞中，成功的研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术，开发出新一代动物纤维。因其质轻，强大优于钢材，弹性由于尼龙，被誉为生物钢材。 2.2 骨骼的哑铃状结构及其仿生材料动物长骨的外形特点为两端粗大，中间细长，从谷端圆滑的过渡到中间，不会出现应力集中，长骨两端粗大，可以减缓应力的冲击，有利于应力传递；还可与肌肉相互配合，使模体持重比提高。作为外形不规则，内部组织分布又很不均匀的骨结构使一个理想的等强最优结构，密度大和强度高的材料配置在骨结构中的高应力区。受此启发，把短纤维设计成哑铃状，类似的形状则通称为哑铃型。理论计算得到端球半径与纤维长度的最佳比值。理论分析证明这种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好，并已被试验证实。同时，具有哑铃形状的晶须和哑铃型仿生晶须增强聚氯乙烯复合材料的微观结构和力学性能，结果表明，与平直晶须SiC相比，哑铃型仿生SiC晶须在提高复合材料强度的同时还是成倍提高其延伸率，且其增强，增韧效果对于复合材料中的界面结合情况不敏感。胡巧玲等利用原位沉析法制备了可吸收壳聚糖羟基磷灰石复合的仿骨结构的骨折内定材料，不仅外形为哑铃型结构，而且可降解吸收、释放出磷酸根和钙离子，弯曲强度为379MPa，弯曲模量为38GP，剪切强度为21。2MPa，压缩强度为478MPa，均比人的自然骨高23倍，可望代替金属的骨折内定材料，避免患者二次手术之苦。 2.3 植物根部的网状结构和仿生材料人们研究植物的根部的网状结构，提出了分形树纤维结构模型，在验证试验模型中发现纤维拔出的力和能量随分叉级数增多和分叉角变大而增大，突破了传统材料的提高强度要以降低韧性为代价的概念，并在试验中证实了通过改变纤维的结构可以同时增加复合材料的强度和韧性。周本廉等进行了仿根状结构复合材料的研制。结果表明具有分叉结构的纤维拔出力和拔出能随分叉角的增加而增加，且大于无分叉纤维试样。纤维对断裂功的贡献为纤维拔出的平均值，于是纤维拔出能越大，纤维对复合材料断裂韧性的贡献越大。因此分形树结构的纤维可以提高复合材料的断裂韧性。如今仿根部网络结构已广泛在堤坝、建筑业等工程领域应用，并显示了优越的性能。同时，这个纤维模型可对材料的设计提供可贵的思路。2.4 贝壳的结构及其相应的仿生材料 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的壳基质构成，这些物质是由外套膜上皮细胞分泌形成的。贝壳的结构一般可分为3层：最外一层为角质层，很薄，透明，有光泽，由壳基质构成，不受酸碱的侵蚀，可保护贝壳。中间一层为壳层，又称棱柱层，占贝壳的大部分，由极细的棱柱状的方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。最内一层为壳底,即珍珠质层，富光泽，由小平板状的结构单元累积而成、成层排列，组成成分是多角片型的文石结晶体（CaCO3, 斜方晶系）。贝壳是的强、韧的最佳配合,它又被称为摔不坏的陶瓷。贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑性变形，具有优异的高韧性。其主要原因是由于裂纹偏转、纤维（晶片）拔出以及有机基质桥接等各种韧化机制协同作用的结果。而这些韧化机制又与珍珠层的特殊组成、结构密切相关。针对珍珠层特有的生物特征，清华大学模仿珍珠层的两级增韧机制，设计制备出仿珍珠层的具有较高强度和韧性的复合陶瓷。材料制备是将Si3N4粉、SiC晶须和添加剂混合后，轧制成薄片，模仿珍珠层中的文石晶片层，其中SiC晶须作为二级增韧元。以BN和Al2O3的混和浆料涂覆在轧膜片上，模仿珍珠层中的有机基质层，涂层后的薄片在石墨模中叠块，经排胶后在N2气氛下热压烧结成瓷。 2.5 竹子的外密内疏和竹纤维的结构特性及其仿生设计 竹子的比强度和比刚度高于普通钢铁，层合结构发挥了很大作用。竹材是典型的长纤维增强复合材料，其增强体外层分布致密，体内逐步变疏，呈阶梯形层状分布，拉伸等力学性能沿径向的分布也是外层高，内层低生物体中纤维的层次结构别具特色，如竹纤维包含多层厚薄相间的层，每层中的微纤维以不同的升角分布，相邻层间升角逐渐变化，避免了几何和物理方面的突变，层间结合人为改善。据此提出了仿生纤维双螺旋模型，试验表明其压缩变形要比普通纤维高3倍以上。根据毛竹外密内疏的结构特性，孙守金等用连续电镀法在碳纤维上镀Fe，Ni，置备了镀CuFe，CuNi的双层碳纤维，用它们分别置备了CFCuF，CFCUNi复合材料，与Vf(f为下标)相近的CFCu复合材料相比，这种新型的复合材料的弯曲强度和导电性能都有显著的提高；刘文川等置备了SiC包裹碳纤维的梯度基复合材料，发现这种材料密度低，力学性能优良和抗氧化功能突出；同时，清华大学的学者依据竹材中微纤维别具特色的层次结构，提出了仿生的纤维双螺旋模型，试验表明其压缩变形比普通纤维提高3倍。3 仿生复合材料的发展 3.1仿生材料的定义 仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。因此，仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面：成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。仿生材料学是生命科学和材料科学的交叉前沿领域。实际上，它与化学和医学也有密切的关系。仿生材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学。其生要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官修复与替代；发展仿生高性能工程材料。生物材料通常有两种定义一是指天然生物材料，也就是出生物过程形成的材料，如纳构蛋白(胶原纤维、蚕丝等)和生物矿物(骨、牙、贝壳等)。这种定义的内涵相当明确而固定。另一是指生物医用材料，其定义随着医用材料的快速发展而演变。80年代未曾被美国Clemson大学生物材料顾问委员会定义为“与活体接合的人工非生命材料”是这种生物材料狭义定义的代表。可以预见，随着组织工程的发展，这种生物材料的定义将逐渐增大生物过程形成材料的成分。这样，两种定义就会有越米越多的重叠。目前，仿生材料的研究无论结构材料方面还是功能材料方面都取得了一定的成果，但由于工程实施的复杂性，许多内容还处在摸索阶段。在生物力学和工程力学的衔接点上，还需要进一步的研究。从材料学的角度认识天然生物材料的结构和性能，进而抽象出更多的材料模型，这方面的工作还有待进一步的深入。而仿生才材料的制备方法则是摆在我们面前的一个关键性的课题。3.2 仿生复合材料的仿生研究 当前仿生复合材料研究中的一些疑难问题：基于不同观点通常可将复合材料划分为不同类型，如金属基、陶瓷基、和高分子基复合材料，或分为连续纤维、非连续纤维、晶须、颗粒和晶片增强复合材料，当前在结构型复合材料研究中的一些疑难问题可归纳为如下几个方面： (1) 连续纤维的脆性和界面设计的困难 (2) 短纤维易从基体拔出导致增强失效 (3) 晶须长径比不易选择 (4) 寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到的困难 (5) 如何找到复合材料内部损伤的愈合方法 复合材料的发展方向： (1)由宏观复合形式向微观复合形式发展 (2)从双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向扩展 (3)由结构复合材料为主与功能复合材料和多功能复合材料并重的局面发展(4)由复合材料的常规设计向仿生设计和电子计算机辅助设计发展 3.3 智能复合材料研究发展概况 智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，它实际上是集成了传感器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。其通过传感器感知内外环境状态的变化，将变化所产生的信号通过信息处理器做出判断处理，并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态，以适应内外环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，类似于生物系统。智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物。智能复合材料能够很好的避免复合材料在拉压、冲击或疲劳等载荷作用下, 极易发生损伤直至最终破坏的弱点，对复合材料的初期损伤,能够及时发现并采取相应措施, 将经济损失降到最低, 甚至可以避免灾难性的后果出现。因此智能复合材料在许多领域展现了广阔的应用前景，如机械装置噪音与振动的自我控制等，飞机的智能蒙皮与自适应机翼，桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自修复功能，以及各种智能纺织品。目前，世界上许多国家都已展开对智能材料的研究，智能复合材料是高技术的综合，其发展将全面提高材料的设计以及应用水平。实现复合材料的智能化将显著降低工艺成本，提高服役可靠性与使用效率，拓展复合材料的应用范围，这是智能材料与结构技术向应用转化的最佳途径之一。美国国防等部门经过广泛的基础性研究之后, 目前已将该技术局部应用于装备武器和运载工具。美国、日本与欧洲一些国家在智能复合材料的研究中已处于领先地位，我国也十分重视这项技术的研究，做了很多探索性的工作，相信在本世纪内会缩短与发达国家之间的差距。3.4生物纤维材料的发展状况所谓生物纤维材料，它包括两方面的含义。首先，它是生物材料，是指“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”，这就需要这种材料具有良好的牛物相容性，生物活性和可降解性，尽量接近天然材料的性能。其主要研究方法和目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能以及形成机理基础上，发展用于人体器官修复与替代的仿生高性能工程材料。其次，它是具有特殊形态的材料一纤维材料，这种特殊的形态使得它们以特殊的功能和应用领域而成为一类。目前对生物纤维材料的研究主要包括对天然材料的形态功能分析，利用天然材料的原料制备新型的生物纤维材料或以其机理为指导进行仿生制备。人工的纤维结构材料在修复和替代人体组织和器官等方面都得到了广泛的研究，包括人工骨、人工韧带、人工肌腱、人工血管、人工心脏瓣膜等。因此，生物纤维材料是一类非常重要的材料，具有广泛的应用前景。 结束语 破解生物之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类的研究才刚刚起步，而仿生材料的前途似锦却是勿庸置疑的。仿生材料一个重要的应用方面是生物医用材料。近十年来生物医用材料和制品的市场一直保持20左右的年增长率，发展态势已经可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比，正成长为下一个世纪经济的一个支柱，对国民经济的发展有着不可忽视的作用。因此，采取有效的措施发展生物医用材料已成为我国经济和社会发展的一个十分迫切的任务。仿生材料同时也是环保性材料，对于日益恶化的生态环境来说，大力发展仿生材料是改善人类生存环境的有效措施。参考文献1 闫久林，马云海，高喜军，荣宝军. 仿生材料的研究方法和发展趋势. 2008:2 王飞，何景武.基于仿生学的机翼结构刚度和强度设计研究.2009：3 徐惠彬，仲伟虹，田莳. 智能复合材料的发展现状和应用前景.1997：4 崔福斋，郑传林仿生材料北京：化学工业出版社2004：1891905 佟金，马云海，任露泉天然生物材料及其摩擦学摩擦学学报，2001，21(4)：7 崔福斋，冯庆玲生物材料学北京：清华大学出版社2004：8 张令弥. 智能结构研究的进展与应用J.振动、测试与诊断,1998,18（2）：9黄智伟. 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