仿生功能材料

1、功能材料概论期末小论文浅谈仿生功能材料摘要：随着人民生活质量的进一步改善和提高，人们的生活对各种科学技术的要 求也不断提高，而许多科技产品的发展都需要新型材料的支持，而新型功能材料 正好能为科技提供发展基础。什么是功能材料？功能材料具有优良的电学、磁学、 光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，有特殊的物理、化学、生物学 效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类 高科技领域的高新技术材料。功能材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市 场，从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。下面我想 谈谈功能材料的一个分支仿生功能材料一、什么是仿生功能材料

2、？仿生功能材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。自然界中存在的 天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。我们通过研究他们的特点特 性，制造我们能使用的材料，例如研究萤火虫发明人工冷光、研究电鱼发明伏特 电池；研究苍耳属植物发明尼龙搭扣、研究鲨鱼发明特质泳衣二、仿生功能材料的基本原理现实生活中我们接触过许多动物与植物，例如屹立几百年而不倒的大树；几 乎不发热量的冷血昆虫，而地球上所有生物都是由一些简单且廉价的无机和有机 材料通过组装而形成，他们仅仅利用极少的几种元素，主要是碳、氢、氧、氮等 组合而成，便能发挥出多种多样的功能，这实在令人叹服！在高分子化学世界里， 我们已经制造出了聚乙烯

3、、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料，具有多种 多样的功能。但是，人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不 同，迄今为止，再高明的材料科学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质； 海洋中长出的色彩斑斓、坚固又不被海水腐蚀的贝壳。如果我们眼光投向生物体 的材料构造与形成过程，在充分的理解生物现象之后，用生物材料的观点来思考 人工材料，从生物功能的角度来设计与制作适合人类生活所需的材料。三、仿生功能材料的运用举例及原理 1、自清洁玻璃仿生机理：荷叶表面多尺度结构和表皮生物腊的存在是引起荷叶表面“自 清洁”的原因。荷叶表面由很多密集排列的直径1020m左右“乳突”所组成， 它们之间存

4、在纳米级空隙，而每一个微米级乳突上还存在很多直径200nm左右的 小乳突。形成微纳米双重结构的乳突，使空气填充其间。水在荷叶上，由于表面 张力和乳突间空气的阻力的作用，水的表面总是趋向于尽可能缩小成球状，接触 角可达170度左右，几乎完全不浸润。荷叶使水和尘埃在其表面的接触面积比一 般材料减少了90%多，水滴极易滚动，在水滴滚动的同时，就带走了叶子上的尘 埃和细菌，从而实现自清洁的功能。荷叶拥有的这种特性被称为超疏水性能。利用荷叶的特性制成的超疏水性自清洁玻璃：当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导 致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表

5、面张 力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并 且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的 水珠带走，由于水分子间的引力作用，水珠走过的地方不会在玻璃表面留下水痕， 这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种自清洁玻璃冬季有很好的防结冰作用。自洁性能测试（曝晒实验）60 111051015未处理-自洁处理循环次数（次）自洁处理-未处理2、磷酸钙和骨胶原人造骨骼日本物质和材料研究机构与有关大学合作开发出新的人造骨骼.是用由骨骼 的无机成分磷酸钙和有机成份骨胶原组成的复合材料制成的.其强度与弹性均接 近于真正的骨骼.把它移植到缺损部位能很快被

6、吸收并长出新的骨骼来。在狗身 上做实验表明.大约3个月就可以再生出新的骨骼来。这一科研成果目前仅处于 动物实验阶段，尚需进行实用化研究开发，才能达到临床试验水平。3、仿生增韧陶瓷材料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CaCO3,但其综合力学 性能优异，特别是断裂韧性，比单相CaCO3陶瓷高23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

7、由文 石、晶片形成增强相的层状复合材料，占总质量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。文石品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。k ASfrgkattfltSKk. .四、我国仿生功能材料发展和困难我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“ 863”、“973”、国家自然科 学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“

8、九五” “十五”国防计划中还 将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材 料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示 材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能 固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得 了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。竦氢电 池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动 了竦氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组 件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金

9、属电极 上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进 行列；高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和 相关技术上取得了自主知识产权；功能材料还在“两弹一星”、“四大装备四颗 星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层 出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断， 并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。我国在新型稀土 永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是， 我们应该看到，我国功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原 创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在 不足，有待改进和发展。五、仿生功能材料发展的展望通过不断从生物界获得灵感，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