仿生复合材料

1、仿生材料研究进展(讲义)ResearchProgressofbiomimeticmaterials仿生学(Bionics)诞生于二十世纪60年代，是Bi(o)+(electr)onics的组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的仿生研究则由来已久。80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文1，分析了部分生物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索2-6。美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics),Biomimetics意为模仿生物，着重力学结构和性质方面的仿生研究。但人们往往狭义地理解“mi

2、metic”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿材料的结构和性质,而出现一些不必要的争议。近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受。通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料(BiomimeticMaterials)。这是材料科学与生命科学相结合的产物，这一结合衍生出三大研究领域：天然生物材料，生物医学材料(狭义仿生)和仿生工程材料(广义仿生即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等)。一、天然生物材料与生物医学材料天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，

3、具有独特的结构和优异的性能。通过天然生物材料的研究，人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料和新型工程材料。天然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸己知有20种组成的长链，改变氨基酸的种类及排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。蛋白质的合成决定于遗传基因，即RNA核糖核酸中每三个碱基对构成一个密码子，决定一种氨基酸7。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术”，可以改变某些碱基对的顺序和种类，以合成所需要的蛋白质，利用DNA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和控制，因此将会作为功能材料和结构材料得到应用。

4、目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场8。据统计，被详细研究过的生物材料迄今已超过一千多种，涉及到材料学科的各个领域，在医学临床上应用的就有几十种。用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料被称为生物医学材料BiomedicalMaterials。根据材料的生物性能，可分为生物惰性材料(BioinertMaterials)与生物活性材料(BioactiveMaterials)两大类。前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应，后者则能诱发出特殊生物反应，导致组织和材料之间形成键接，或提高细胞活性、促进新组织再生。根据材

5、料的组成又可分为：生物医学金属材料(BiomedicalMetallicMaterials)，生物医学高分子材料(BiomedicalPolymer)，生物陶瓷(BiomedicalCeramics)，生物医学复合材料(BiomedicalComposites)，生物衍生材料(BiologicallyDerivedMaterials)等。生物医学材料要直接与生物系统结合，除应满足各种生物功能和理化性能要求外，还必须具有与生物体的组织相容性，即不对生物体产生明显的有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身的效能和使用寿命。医学临床对所用生物材料的基本要求包括：材料无毒，不引起生物细胞的突变和组织反

6、应；与生物组织相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等；化学性质稳定，抗体液、血液、及酶的腐蚀和体内生物老化；具有与天然组织相适应的物理、力学性能等。为满足上述要求，生物医学复合材料是较佳选择。医用金属、高分子材料、生物陶瓷等均可作为生物医学复合材料的基体或增强体，经过适当的组合、搭配，可得到大量性质各异、满足不同功能要求的生物医学复合材料。此外，生物体中绝大多数组织均可视为复合材料。通过生物技术，把一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子等引入生物医学材料，给无生命的材料赋予生命的活力，并使其具有药物治疗功能，成为一类新型生物医学复合材料可吸收生物医学复合材料，这些材料的发展为获得真

7、正仿生的复合材料开辟了途径。二、材料仿生与仿生工程材料从材料学角度认识、模仿或利用某些生物体的显微结构、生化功能或生物合成过程来进行材料的设计、制造，以便获得具有特殊功能或优异性能的新材料是材料仿生的主要内容，也是设计制造新型复合材料的有效途径。材料仿生包括：结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合仿生。材料仿生的过程大致可分为三个步骤，即仿生分析，仿生设计，仿生制备。现有文献中关于仿生分析的研究较多，而涉及仿生设计与制备的研究较少。1、结构仿生天然生物材料几乎都是复合材料，不同物质、不同结构、不同增强体形态和尺度的复合使得天然生物材料具有远远超过单一常规材料的综合性能。结构仿生的目的就是

8、研究天然生物材料这些天然合理的复合结构及其特点，并用以设计和制造先进复合材料。1）增强体形态仿生：作为复合材料，增强体的形态、尺寸对其性能有重要影10-13。由植物学可知，几乎所有的植物纤维细胞都是空心的。空心体的韧性和抗弯强度要高于相同截面的实心体。用CVD方法制备空心石墨纤维，其强度与柔韧性均明显高于实心纤维。竹纤维的精细结构如图所示，其中包含多层厚薄相间的纤维层，每层中的微纤丝以不同升角分布，不同层间界面内升角逐渐变化（图l）,据此提出了仿生纤维双螺旋模型（图2），实验证明其压缩变形比普通纤维高3倍以上14-15。文献16高温高压条件下合成了竹纤维状SiN/BN陶瓷复合材料，证明其断裂韧

9、性和断裂功分别超过了24Mpa34m1/2和4000J/m2。图1竹纤维的精细结构图2增强纤维的仿生模型（a）和一束传统增强纤维模型（b）动物的长骨一般为中间细长、两端粗大、过渡圆滑的哑铃形结构，既有利于应力的减缓，又避免了应力集中，与肌肉配合使肢体具有很高的持重比。模仿这种结构1，把短纤维设计成哑铃形，并计算出端球与纤维直径的最佳比值，用这种形态增强体制得的复合材料强度提高了1.4倍。深扎在土壤里的树根和草根不仅可以吸收水分和养料，保证草木生长并树立于风雨中不被吹倒或拔起，而且还可防止水土流失，加固河岸与堤坝。模仿树根和草根的结构，人们提出了分形树纤维模型（图3）。理论和实验证实，具有分叉结

10、构的纤维拔出力和拔出功随分叉角的增加而增加，这种根茎分叉状形态的增强体可同时提高复合材料的强度和韧性。甲壳的纤维片条中存在许多“钉柱”以及由“钉柱”支撑而形成的空隙，这样的结构形式使材料既较轻而又具有较好的刚度和面内抗剪强度,满足了昆虫外甲壳自然复合材料对提高材料强度、刚度、减轻材料重量以及释放或减轻材料内应力的要求。在昆虫外甲壳中的传感器官和传输物质的管道及孔洞附近的纤维具有较高的密度及保持连续地绕过,这与孔边的高应力场相适应,当外甲壳发生断裂时在这些地方遇到强烈的抵抗而消耗大量的能量,使材料在孔洞附近具有很好的强度和止裂能力。据此结构制备的复合材料有更高的强度和断裂韧性17。图3分形树纤维

11、拔出模型（a）级分叉纤维（b）二级分叉纤维2）增强体与基体组合方式仿生a.海洋贝类壳体的层片结构及其仿生海洋贝类壳体可看成是一类天然陶瓷基复合材料，其组成较为简单，由近95%以上较硬的无机相一一碳酸钙和少于5%较韧的有机质（蛋白质、多糖）所构成。通常碳酸钙晶体的强度及弹性模量等比一般氧化物、碳化物晶体低，但当碳酸钙与有机质构成贝壳后，却具有很强的抗挠曲强度和抗压强度。尤其是断裂韧性，明显高于其它人造陶瓷。贝壳的性能是由其结构决定的，即由碳酸钙晶体的规则取向及其与有机质的复合排列方式所决定。海洋贝类壳体常见的结构类型如图4所示18，不同结构对应不同的性能。鲍鱼的壳体具有典型的珍珠层结构，碳酸钙薄

12、片与有机质按照“砖与泥浆”形式砌合而成。碳酸钙为多角片状，厚度为微米量级：有机质为片间薄层，厚度为纳米量级。图4几种常见的贝壳的微观结构（a）珍珠层（b）叶片层（c）陵柱层（d）交叉叠层（e）复合层片海螺壳则为层片交叉叠合结构，层厚1040um，各层取向互成7090的夹角。研究表明，碳酸钙晶体与有机基质的交替叠层排列是造成裂纹偏转产生韧化的关键所在。一般说来，珍珠层结构具有比交叉层片结构更高的强度和断裂能，而后者在阻止裂纹扩展方面更具优势。基于对海洋贝类壳体的结构与性能的研究，可抽象出一种材料模型，即硬相与韧相交替排布的多层增韧模型。根据这一模型，人们开展了仿贝壳陶瓷增韧复合材料的研究，部分研

13、究成果见表1。表1仿贝壳陶瓷增韧复合材料的研究成果4陶瓷相）（硬软相（韧相）制备方法性能比较（叠层与整体）BC4AlBC/Al叠层4断裂韧性提高30%SiC石墨SiC石墨叠层热压成断裂功提高100倍型SiCAlSiC/Al叠层热压成断裂韧性提高25型倍AlO23C纤维AlO/C纤维叠层热23断裂韧性提高压烧结1.52倍SiN4C纤维SiN/C纤维叠层热压4断裂韧性提高烧结3050%AlO23芳纶增强树AlO/树脂热压成型23断裂功提高80倍脂可见仿生增韧的结果还是非常明显的。金属Al能在一定程度上钝化裂纹尖端，但不能有效地阻止裂纹的穿透扩展；石墨层可造成裂纹在界面处偏转，但这种弱化界面的方法其

14、止裂能力是有限的；纤维、高分子材料的止裂能力优越，有待进一步研究。目前，仿生增韧陶瓷的叠层尺度都在微米以上，而实际的贝类珍珠层则是纳米级的微组装结构，正是这种特定的有机无机纳米级复合的精细结构决定了其具有优异的性能。实际上，纳米复合材料广泛存在于生物体(如植物和骨质)中，但直到80年代初才由Roy和K0Emmenii9提出纳米复合材料(Nanocomposites)的概念。这种材料是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级尺寸(1l00nm)复合而成，这些固相可以是晶态、非晶态、半晶态或者兼而有之，而且可以是有机的、无机的或两者都有。利用层状固体的嵌入反应特性来合成有机无机纳米复合材

15、料近年来己引起人们的广泛关注，所获得的纳米复合材料具有独特的分子结构特征和表观协同效应，既表现出无机物优良的强度、尺寸稳定性和热稳定性，又具备有机聚合物的断裂性能、可加工性和介电性能。聚合物的嵌入主要有三种途径：单体原位聚合，直接熔融嵌入及聚合物从溶液中嵌入。这些方法的特点是利用某些无机物晶体组分单元的可重排性得到纳米尺度的二维排列，再通过特有的加工将众多数量的晶层组装成高度有序的结构，并分布在聚合物相中，形成性能优异的有机无机纳米复合材料20。b.竹材、骨质的外密内疏、外硬内韧结构及其仿生天然竹材是典型的纤维增强复合材料，其增强体一一维管束Distancefromsunace.mm(Vasc

16、ularbundle)的强度大约是基体的12倍，弹性模量是基体的23倍14。图5竹茎的横截面图6竹的强度和密度随距外表面距离的变化在竹茎的横截面上维管束的分布是不均匀的(图5)，外层竹青部分致密，内部竹肉部分逐渐变疏，内层竹黄部分又变为另一种细密的结构，即竹材从外表面到内表面增强体呈梯度分布。竹材横截面强度与密度的分布曲线如图6所示。这是一种非常合理的、能提供与风力作用下径向弯曲应力相适应的强度分布的优化结构模式。按照这种复合模式设计制备的结构仿竹纤维增强复合材料，其平均弯曲强度比具有同样数量纤维但均匀分布的复合材料的平均强度提高了81%103%21。动物骨质可称为有机无机纳米复合材料，有机成

17、分为胶原纤维和少量无定形基质，约占骨重的35%；无机成分主要是控基磷灰石(Hydroxyapatite),约占骨重的65%。电镜下磷灰石晶体呈细针状，长约2040nm，厚约4nm】22。骨质中的胶原纤维成层状排列，同一层中互相平行，相邻两层互成一定角度。羟基磷灰石则排列于胶原纤维之间，由基质粘合在一起，形成坚韧强硬的骨板。骨多为外密内空，中间有骨髓。骨有松质骨和密质骨之分，二者同时存在时，疏密呈梯度变化。动物软骨由软骨细胞、软骨基质和胶原纤维构成，关节软骨的研究表明，软骨细胞及纤维的尺寸、分布由外向内也呈明显的梯度变化。龟壳结构与动物骨质相似，也分为密质层和松质层两部分，密质层位于壳体的外侧，

18、羟基磷灰石以柱状晶定向排列，中间由基质膜相连；松质层位于内侧，柱状晶成束聚集、无规则分布。密质层和松质层二者之间无明显界限，而是梯度渐变的23。这种逐渐过渡的复合结构不仅保证龟壳具有较高的强度和断裂韧性，而且与本体肌肉结合良好。C.生物体非光滑表面及其仿生生物体表面普遍存在着几何非光滑形态，即一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布在生物体表各部位，结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、波纹形、刚毛形及复合形等。仿荷叶的衣物面料，钢板的毛化（粗化、翅化）处理等都是对生物非光滑功能表面模仿的很好例证。汽车工业中使用的薄钢板经毛化处理后，变形均匀，成型性好，涂挂性好，冲压成型废品率大为降低，经济

19、效益显着。虽然发明者可能未从仿生学角度出发，但其效果却与生物非光滑功能表面不谋而合。轧制毛化钢板的轧辗经激光毛化处理后，显微组织发生变化，可能产生微晶、纳米晶、非晶等，耐磨性提高；表面状态变化，凸起部支撑载荷，凹下部储存润滑剂，收集磨屑；非光滑表面还可对表面残余应力进行调节，使表面裂纹焊合、钝化，成形质量明显提高。2过程仿生生物体的组成、结构决定其性质和功能，而这些结构的形成机制和形成过程的研究对材料工作者是十分重要的。海洋贝类壳体的形成就是一个奇特的矿化过程，如能模仿，则可望在常温下合成、制造出一些具有特殊性能的材料。自然界生物从细菌、微生物到动物、植物的体内均可形成矿物24，因此，人们对生

20、物矿化过程、钙化过程的仿生研究给予了极大的关注25。各种生物体矿物矿化过程的详细机制尚不甚清楚，但一般认为，生物矿化是在有机基质的指导下进行的。特定的生物细胞分泌特定的基质，而特定的基质产生特定的晶体结构。基质作为一个有机高分子的模板塑造和生成矿物，不仅使矿化过程成核定位，而且控制结晶的生长。文献7认为矿化过程大致有四个阶段：有机大分子预组织形成一个有组织的反应环境:无机物和有机物在界面上发生由分子识别诱导的析出反应从而形成矿物相的晶核；无机物的定向生长和遗传控制；无机物在细胞的参与下同有机物组装成高级结构。其中有机基质及有机无机界面的分子识别，在晶体的成核、生长以及微结构的有序组装方面起着关

21、键作用。这里涉及到有机物的官能团排列和无机物晶格之间的匹配、静电作用、细胞的遗传和控制等问题，过程相当复杂。GillseppeFalinii8通过研究贝壳的有机成分B-甲壳素、丝心蛋白及其它可溶性大分子(糖蛋白)对CaC0结晶的影响，探讨了各成3分在矿化过程中的作用。结果表明，CaCO的结晶形态总是与被提取3的原贝壳晶体结构相一致，即从文石结构贝壳中提取的大分子，可以使CaCO以文石晶型结晶，对方解石亦然，当溶液中没有这种大分子3时，则无结晶发生或只有一些球状晶体生成。蛋壳的钙化过程与海洋贝类矿化过程相似，有机质与钙离子的结合对结晶及钙化过程有重要作用，研究认为有机质与钙离子最可能的结合机制是

22、整和作用。有机质通过整和使钙离子固定在某空间位置上而成核，CaCO在其上沉积,3进行晶体生长。结晶体表面总是覆盖着一层致密的有机高分子层，它是产生下层晶体的基础。利用有机大分子的模板来诱导和控制无机矿物的形成和生长，是人们从生物过程得到的启示。某些高分子在一定条件下，依赖分子之间的作用力而自发组装成结构稳定整齐的分子聚集体的过程被称为分子自组装(Self-assembly)，该词于80年代初由Sagiv15首先采用。他把载玻片浸入三氯硅烷的CCl稀溶液中，得到了一层在SiO表面上42自组装成的单分子膜，这可以说是生物膜的一种仿生，它有可能在室温下把分子一层层地从小到大装配成材料或器件。利用自组

23、装膜的极性功能端头可以在金属表面“矿化”，达到材料表面改性的目的；如果把该技术与胶体化学方法结合，则可制备出纳米级的有机无机层层相间的多层异质结构。Patricia.A.26用CdS在聚环氧乙烷(PEO)溶液中的合成反应来模拟生物矿化过程：CdCl+SSi(CH)-2322CdS+2Si(CH)Clo其中PEO为有机相，生成的CdS为无机相，如同生物32体中有机相与无机相离子的作用一样，形成晶体复合物。在含有CdS晶核的PEO膜上可生长出规则的CdS立方晶体，常温下由小晶粒规则聚集而成，这与自然矿化过程极为相似。有机高分子作为无机晶体生长的中介，并决定产物的形态。李恒德24等用乙二胺四乙酸在钛

24、表面上自组装，目的是在金属钛表面构筑一层羟基磷灰石，制作带有生物活性涂层的人造关节。Mannm则用高分子模板组装方法得到了CaCO的3高层结构，结果与单细胞生物海藻的球壳十分相似。GuoYuming28等人通过自然矿化的理论，模仿生物矿物中丙烯酸脂钠自我组装的过程，合成了CaCO，在实验中发现CaCO的形成和丙烯酸脂钠的聚合同33时发生，结果显示丙烯酸脂钠自我组装的过程对CaCO的结晶和生长3有一个重要的影响。目前生物矿化的研究主要集中在以下几方面：诱导分子膜作为分子模板的定向成核；利用超分子组装体系合成纳米材料；微结构的构筑等。过程仿生及生物矿化的研究使人们有希望获得既有确定大小、晶形和取向

25、，又具有声、光、电、磁等功能的特殊晶体，为进一步合成性能优良的材料开辟了一个新的研究天地。3、功能仿生为适应生存环境，天然生物材料除具有一般材料的承受载荷、耐磨防护等功能外，还有很多一般材料所没有的功能，如防粘、降阻、自洁等，其中最重要的是自我调节功能。作为有生命的器官，生物材料能够在一定程度上调节自身的物理、化学、力学性质，具有自组织、自适应、自修复、自愈合、自清洁等功能。生物表皮防粘、降阻功能及其仿生自洁功能及其仿生(荷叶不脏衣料)耐磨功能及其仿生(穿山甲鳞片、贝壳)生物活性功能及其仿生(短基磷灰石及涂层)4智能仿生从低等生物的刺激反应到人类的高级智慧，自然界生物在自身漫长的进化过程中获得

26、了一种能力一一搜集、分析与处理环境信息，判断并调整自身行为模式，以改善其对于环境适应性的能力，即所谓生物智能。生物智能的实现则依赖于生物体材料的多种功能。对这些功能进行模仿，人们开发了很多具有声、光、电、热、磁等直接效应及其转换、偶合的功能材料，将这些材料进行适当的复合、组装，就发展起来一类最先进的仿生复合材料一一智能复合材料。这是一类集成有传感、驱动、控制器及主体复合材料的主动材料系统，亦称之为智能复合材料结构(Smartorintelligentmaterialsstrueture)。除了具有承载、感知、驱动功能外，还同时具有自动控制和计算学习的功能。其中主体复合材料类似于动物的骨架，作用

27、是赋形并承受载荷等；智能复合材料结构中感受周围环境变化的一类材料叫传感器，它相当于动物的神经系统；驱使结构自身适应环境变化的材料叫驱动器，作用如同动物的肌肉一样；而控制器的作用则相当于动物的大脑。用于制作传感器的材料主要有光纤、压电材料、电阻应变材料、疲劳寿命元件及半导体元件等；用作驱动器的材料包括形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料、电流变体及磁流变体等；控制器则由一些微型超大规模集成电路微处理器构成。常见的智能复合材料结构包括：a.自诊断、自适应智能复合材料结构29。用来对结构材料的原始缺陷及使用中的应力应变状态、损伤、疲劳、冲击、结构连接等情况进行实时在线监测，作出诊断、评价并自适应地改

28、变结构的应力分布，提高结构的安全性。b.减震、降噪智能复合材料结构29。用来抑制工程构件在受到动态激励时产生的振动和发出的噪音，这类智能结构可分为压电式和形状记忆合金两种，将其埋入结构，感受振动信号后改变结构动态阻尼，实现减震降噪，达到减缓结构疲劳、延长使用寿命等目的。此外还有形状自适应智能复合材料结构及智能天线复合材料结构等。智能复合材料结构具有诱人的应用前景，己吸引了各国的研究者争相研究。美国国防部及国家科学基金会等部门向这项研究提供了大量的资金。美国陆军正在实施旋翼飞行器的自适应研究，包括减少飞行器结构部件的振动和损伤自诊断；美国海军科研署己拨巨款研究采用智能复合材料结构对潜艇的振动和噪

29、声进行主动控制，还提出了军用舰船智能表层的研究；美国空军则规划在2010年飞机整体实现自适应智能表层结构。日本也宣布将在2010年开发出具有识别、传递、输送与环境响应功能的自适应智能材料。我国智能复合材料结构的研究始于90年代，现己引起高度重视，并有专着出版30。该领域目前的研究重点集中在传感、驱动器件的研究，控制器的设计方法及信息处理方法的研究，传感、驱动、控制等器件与主体复合材料的偶合方式及信息传输方法，以及智能复合材料结构的制造、修理技术等。5综合仿生(1)(4)中两种以上的综合。一般情况下结构仿生与功能仿生是密不可分的，功能仿生要靠结构仿生来实现。三、结束语今天，生命科学和材料科学都已

30、取得了重大的发展，二者结合衍生出的材料仿生及仿生材料已成为具有重大意义的研究方向。在继续扩大仿效对象的同时，要向更深的层次发展，从宏观、细观的观测到微观分析探索，再回到宏观的实践中去，即从仿生分析、仿生设计逐步过渡到仿生制备和工程应用。不仅进行结构仿生，而且重视过程仿生、功能仿生、智能仿生和综合仿生，努力向实际工程应用方面发展。本人在材料仿生方面的初步试验1耐磨锰钢TiC内生复合材料的仿生设计与制备p天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，具有独特的结构和优异的性能。将材料科学与生命科学相结合，模仿或利用某些生物体的显微结构、生化功能或生物合成过程是设计制造新型复合材料的有效途径。广义地说，由若

31、干种理化性能不同的组分材料按一定方式、比例、分布制成的各种人造复合材料实质上也是对天然材料的模仿，但这种模仿尚处于基体与增强体复合体系研究的初级仿生阶段。迄今为止，真正的复合材料仿生设计和制备尚未付诸实践1。本文试图在钢基耐磨复合材料的结构设计、抗磨功能和复合工艺过程设计中与一些生物材料进行仿生类比，以便利用来自生物材料的组成、结构、功能和合成过程的有用信息，指导复合材料的结构优化、复合机理、制备工艺等研究，研制开发出性能优异的新型耐磨复合材料。1）生物材料结构、性能的梯度特征与表层梯度强化天然生物材料如：竹子、木材、骨头、牙齿、贝壳等均具有简单的组成、精细的微观构造和复合材料的所有特点，是自

32、然界生物长期演变进化而成的高度优化了的天然复合材料，其综合性能远远超过常规单一材料和人造复合材料。从材料学角度考察这些天然生物材料的构造和性能可以看到，其组成多为硬相与韧相组合，其结构多为外密内疏，其性能则多为外硬内韧，且密-疏、硬-韧从外向内是梯度渐变的2，“原位自生”的增强体亦呈梯度分布。这就避免了由于构造和性能突变造成的界面结合差、应力分布不合理、结合部位性能不匹配等难以解决的问题，同时也符合以最少的材料、最简单的结构发挥最大效能的原理。从仿生学和摩擦学观点出发，可以抽象出一种新型抗磨材料，即硬相与韧相复合，组织与性能在断面上呈连续梯度变化。工作表面一侧高硬度、抗磨损，而另一侧高韧性、耐

33、冲击，其内部合金成分、显微组织、力学性能等在宏观上是近似连续变化的。这样既可同时满足高硬度、高韧性的性能要求，又可大量节省贵重合金资源，做到“好钢用在刀刃上”。因此，本文对所研究的钢基耐磨复合材料做如下设计：选用碳化物中较硬的TiC作为增强体，通用耐磨材料p中韧性较好的奥氏体锰钢作为基体，采用原位自生TiC梯度复合工艺p制备。由于增强体是从金属基体中原位自生的热力学稳定相，不仅尺寸均匀细小、颗粒表面无污染、与基体润湿性好、界面结合强度高，而且省去了增强体单独合成、处理、和弥散加入等复杂工序，更易与工程化衔接。2）生物自适应功能与材料磨损表面的加工硬化天然生物体具有反馈控制及自我调节的自适应能力

34、。如动物通过体液和神经系统能够自动地控制和调节自身的体温、血压，以适应环境的变化、保持动态平衡；当机体受到损伤时，生物体内的内分泌系统会自动分泌出一定物质进行填充、修复、愈合或局部再生，即生物材料具有感知、信息加工（自我诊断），自我保护、自修复、自愈合、自清洁等功能。按照物理学中耗散结构的理论3，自修复、自愈合的本质就是一个开放体系和周围环境进行物质和能量交换的自组织、自适应过程。奥氏体耐磨锰钢服役过程中的加工硬化与生物材料的这种自适应有一定的相似性。磨损过程中磨粒在对材料不断进行冲击、犁皱、显微切削等造成损伤的同时，两者亦产生热能、撞击能、变形能的交换，使材料表面产生加工硬化以抵抗磨粒的磨损

35、。关于奥氏体耐磨锰钢加工硬化的机理至今尚无定论，最新的解释是冲击造成位错、堆垛层错、马氏体、a马氏体的强化作用，或位错、层错、形变诱发马氏体、形变孪晶和弥散析出微细碳化物等综合作用所致4。其中形变诱发马氏体的相变强化和第二相硬质点阻碍滑移、增殖位错的强化作用已为实验所证实。众所周知，普通高锰钢中奥氏体非常稳定，在强烈冲击工况下亦很难发生马氏体相变。因此，降低奥氏体的稳定性，促进服役过程中奥氏体向马氏体的转变对提高材料耐磨性有重要意义。对Fe-C-Mn合金固溶处理组织图的研究表明，降低C、Mn含量可降低奥氏体稳定性、促进形变诱发马氏体的产生。在Mn428%,C03%范围内，随C、Mn含量的变化铁

36、碳锰合金经1000C固溶处理后组织依次为a+A（双相锰钢），A（介稳定奥氏体锰钢），M残介A（稳定奥氏体锰钢）和A+（FeMn）C（带有碳化物的奥氏体锰钢）。选择3合适的基体合金成分，并于凝固过程中在耐磨一侧加入一定量钛铁合金使之与基体中的碳作用，一方面生成大量弥散分布的TiC颗粒作为增强相，另一方面降低该处基体的含碳量使其成分进入介稳定奥氏体区，服役过程中稍有冲击，就会诱发马氏体相变，使材料自身的强度和硬度提高。奥氏体稳定性越低，服役工况越恶劣，形变诱发产生的马氏体越多，材料抵抗磨损、保护自身的能力越强。从这种意义上讲，所设计的复合材料可以“感知”外部刺激应力的大小，并以形变强化积极响应，具

37、有自我保护的自适应能力。3）生物矿化过程与环瀑悬铸复合工艺具有很高抗压强度及耐磨性的海洋贝类的壳体由较硬的碳酸钙和较韧的有机基质构成，其合成（矿化）过程一般被认为是在基质指导下进行的，基质作为“模板”使矿化过程定位形核，并控制碳酸钙的结晶生长方式及生长速度，特定的基质产生特定的晶体结构。基质的合成又是在细胞的指导下进行的，特定的细胞分泌特定的基质。而细胞的分裂又受空于基因，即生物体结构的成形属于一种基因生长型6。在各种基因控制下，细胞并行分裂发育生长出各种结构，体现出遗传和变异。与上述过程类比设计了一种环瀑悬铸梯度复合工艺。生成TiC增强体的钛铁颗粒作为“携带某种基因的细胞”，在钢凝固过p程中

38、弥散加入，并随充型凝固过程的进行不断改变其加入量。进入钢液的钛铁颗粒在高温作用下熔化、“分裂”，与钢中的碳、氮等生成化合物，弥散分布于钢液中。一方面，钛铁颗粒作为微型冷铁吸收热量，加快结晶速度，使钢液降温、增粘、保持调配出的成分梯度，并与固/液界面交互作用，影响晶体生长方式及其形态。另一方面，Ti与钢中的C发生冶金反应生成的TiC可作为奥氏体结晶的异质核心或形核基底，细化晶粒，产生细晶强化和弥散强化。同时，加入的钛铁颗粒本身的状态对复合材料基体的形成有遗传效应，加入的数量亦可间接控制材料的凝固速度。对于奥氏体耐磨锰钢来说，TiC在凝固过程中的生成，要消耗钢中的碳，从而阻止MC型晶界碳化物的形成

39、，大大3改善其铸态冲击韧性。现有的TiC增强钢、铁基复合材料制备工艺都是通过一个配制好p适当成分的、能析出TiC颗粒的Fe-C-Ti合金熔体的凝固来制备，即Ti是在合金熔炼过程中加入的，其优点是可获得大体积分数的TiCp增强相。但同时也带来一些难以解决的问题：由于是熔炼过程中加入，Ti的烧损严重，熔体粘度高、流动性差、充型困难，因此要提高熔化温度，不仅浪费能源而且进一步增加Ti的烧损。生成的TiC长大时间长、颗粒粗大，影响强化效果、降低材料性能。且只能整体复合、成本较高，难以在近期实现工程应用。而新工艺直接选取通用工程材料作基体，大部分Ti在合金充型凝固过程中弥散加入，解决了熔体粘度高、充型困

40、难、TiC颗粒粗大等难题，并可进行表层梯度强化或局部强化，易于实现工程化。其缺点是TiC的体积分数不可过高，否p则易产生铸造缺陷。4）新型复合材料的组织与性能瞬态高能量非平衡仿生处理模具钢热疲劳恢复及损伤愈合一、研究的目的、意义和成果的预计去向疲劳失效是工程构件最主要的破坏形式之一，据统计，机械零件的失效约有80%为疲劳损伤1,2。随着工业化规模的迅速扩大，服役于高温的材料应用范围也越来越大，且变温边界向更高上限和更低下限温度发展，由此造成零件和结构由交变温度及循环载荷造成的热疲劳或热机械疲劳破坏现象日益严重。我国每年由各种疲劳失效所造成的损失达数亿元，损失是十分惊人的。金属材料疲劳损伤的微观

41、机制非常复杂，多少年来，人们都在致力于疲劳损伤行为和失效机理的研究，并通过调整材料的化学成分、改进制造工艺和零件结构等方法来改善其微观组织和受力状态、提高力学性能、减缓和阻止疲劳裂纹的萌生与扩展，以延长零件的使用寿命。如果说材料的疲劳损伤意味着失效，则其疲劳恢复及损伤愈合将导致复效，但迄今为止，对材料疲劳损伤失效的相反过程材料的疲劳恢复、损伤愈合的复效过程却研究甚少。从材料仿生学的角度来看，生命体是一个具有耗散结构的开放体系，其疲劳或损伤能够通过从外界补充能量和物质，经过自组织过程而修复或再生，因而寿命可比无补充时成千百倍地延长。工程材料虽无生命可言，但其承受载荷、遭受损伤时也可看成是与外界有

42、能量交换的开放体系，当其中疲劳产生的微观缺陷还没有聚集到产生裂纹时就输入适当的能量，进行仿生处理，既不损坏正常结构，又可使疲劳部位驰豫恢复，损伤部位重组修复，以达到控制材料失效或延长部件使用寿命的目的。对比生物机体损伤愈合模式和金属材料疲劳时的结构转变特性，可知其物理本质都是一开放体系和周围环境进行物质和能量交换并进行自组织的过程。这一共同的物理过程使我们有可能通过适当处理来实现金属材料的疲劳恢复和损伤愈合。本研究的目的就是从广义的过程仿生原理出发，以热作模具钢的热疲劳或热机械疲劳损伤恢复为研究对象，采用瞬态高能量仿生处理来消除疲劳，修复损伤，探讨超短时高能量电脉冲作用下固体金属材料中引发的一

43、系列瞬时动态过程及其伴生现象和局部组织演变规律，建立相关的理论体系和结构模型，深入研究材料疲劳恢复和损伤愈合的作用机制，优化处理工艺，为大幅度提高模具的使用寿命提供新的理论依据和具有自主知识产权的实用技术。模具是机械制造业最重要的工艺装备，由于型腔复杂，加工困难、耗能费时，因此价格昂贵，有“黑色黄金”之称。我国每年消耗模具数万吨，价值数亿元。热作模具中由于热机疲劳而导致失效者占模具失效总量的60703，是模具失效报废的主要原因之一。因此，本研究直接面向模具行业，拟在模具疲劳失效之前，施以有效的处理，使疲劳者恢复，损伤者愈合，正常者改进，从而成倍地提高模具的使用寿命。本研究如获成功，将在模具制造

44、和使用企业之间建立起“生态循环系统”，在模具制造、使用、失效、复效和再生等整个材料循环周期中节省资源和能源、减少污染、促进模具行业的绿色生态制造、回用和可持续发展，具有重大的科学理论价值与国民经济意义。二、研究课题所涉及的科学领域，国内外达到的水平，存在的主要问题；本课题的学术思想、理论根据、主攻关键及独到之处。1所涉及的科学领域，国内外达到的水平本研究课题涉及材料、物理、化学、力学、生物学、电磁学、仿生学等科学领域，是一个多学科交叉、具有重大科学理论意义和技术经济价值的研究领域。由于疲劳损伤造成工程构件失效的普遍性和严重性，金属材料疲劳损伤行为和失效机理的研究一直是人们关注的热点。与材料寿命

45、相关的热应力分析、力学行为、疲劳损伤的微观机制及疲劳寿命预测等已有大量的研究报道，并取得了很好效果4。但这些研究多注重于材料疲劳损伤失效中裂纹的萌生与扩展及材料力学性能的提高，对材料疲劳损伤失效的相反过程材料的疲劳恢复、损伤愈合的复效过程却研究较少。已见报道的材料损伤愈合方法主要包括电场、磁场处理5，中途加热回火口期。美国学者H.Conrad等和赖祖涵等发现脉冲电流处理有利于提高多晶铜的疲劳寿命，降低沿晶断裂倾向，并探讨了电流处理对固态相变的影响11。周本濂等研究发现脉冲电流处理可改善铝箔的强度和塑性，阻滞钛合金裂纹扩展，使碳钢中疲劳损伤恢复等12-14。脉冲电流在材料电致塑性、裂纹愈合、晶粒

46、细化和非晶晶化等方面的研究均有报道15-18。上述研究为材料的疲劳恢复及损伤愈合提供了一个有效途径瞬态高能量非平衡仿生处理。目前利用脉冲电流提高材料疲劳寿命的研究多集中在损伤的修复、愈合方面，主要是利用脉冲电流产生的瞬态能量使裂纹尖端钝化止裂或使裂纹愈合，在这个领域中国科学院金属材料研究所、燕山大学、南京航天航空大学、中国科学院材料物理中心、吉林大学等做了较多研究工作1935，已经取得一定的进展，但上述研究均处于微小样品试验探索阶段，根本机制还有待于深入系统地研究；而直接针对工程构件中未发生明显损伤的疲劳组织的机能恢复、进而提高其使用寿命方面的研究尚鲜见报道。2存在的主要问题金属材料疲劳损伤的

47、微观机制非常复杂，而由载荷及温度循环叠加造成的热疲劳或热机械疲劳损伤机制则更为复杂。国内外现有的研究主要集中在材料室温机械疲劳裂纹钝化、止裂与损伤愈合方面，对瞬态高能量电脉冲作用下固体金属材料中引发的一系列瞬时非平衡动态过程及其伴生现象和局部组织演变规律均缺乏深刻的了解，相关的理论体系和结构模型尚需建立和完善。瞬态过程可能产生的焦耳热效应，磁压缩效应，集肤效应，收缩膨胀效应，电子风冲击和电迁移效应以及这些效应综合作用产生的瞬时高温、高压、输运过程等如何影响材料的位错组态、应力分布、组织回复、再结晶以及损伤部位的组织变化等作用机制和变化规律均不清楚。申请者在前期的研究工作中还发现，不同工艺参数的

48、电脉冲处理（脉冲电压、电流密度、脉冲电流的脉宽和作用时间等）对热作模具钢热疲劳寿命的影响有所不同，处理得当将使材料的疲劳寿命成倍提高，若处理不当则无任何效果，甚至会促进热疲劳裂纹的萌生与扩展，使寿命降低。因此处理工艺参数的选取原则和优化方法也是急需解决的重要问题。3本课题的学术思想、理论根据一个远离平衡的开放系统通过与外界交换能量和物质，在外界条件变化达到一定阈值时，能从原来无序状态变成时间、空间、功能的有序状态，这种非平衡条件下通过自组织过程形成的新的有序结构称为耗散结构。生命体在运动中消耗、补充和发育，其疲劳与休息、损伤与愈合都表现出开放体系耗散结构自我调节自我修复的种种特征。与此类比，无

49、生命的工程材料在其承受载荷、遭受损伤时也发生了与外界的能量与物质的交换，并以晶格畸变、位错滑动和攀移、回复与再结晶、局部相变或塑性变形等来进行自我调节。疲劳损伤是在循环载荷作用下材料内部的能量非平衡升高、细微结构的劣化及各种缺陷的积累，裂纹的萌生则是大量位错缺陷产生和塞积，造成应力集中的结果。当其中疲劳产生的微观缺陷还没有聚集到产生裂纹时，体系处于一种非平衡的不稳定状态。根据耗散结构理论，以适当方式输入达到一定阈值的能量，进行仿生处理，既不损坏正常结构，又可使疲劳部位驰豫恢复，损伤部位重组修复，即可达到控制材料失效或延长部件使用寿命的目的。材料的电导率具有强烈的结构敏感性。当金属材料内部发生微

50、小的结构转变产生缺陷时，由于局部电阻率增大和绕流作用，脉冲电流将迅速阻止并消除这种转变，同时对正常组织影响很小，体现出一种自动选择、智能化修复的特征。这种疲劳恢复、损伤愈合的驱动力正是来自瞬态高能量电脉冲非平衡处理过程中产生的焦耳热效应、磁压缩效应、集肤效应、收缩膨胀效应、电子风冲击和电迁移效应以及这些效应综合作用产生的瞬时高温、高压、输运过程等。4本课题的主攻关键超短时高能量电脉冲作用下固体金属材料中一系列瞬时动态非平衡过程及其伴生现象的表述，瞬态高温、高压、电迁移等综合效应对热疲劳组织中热量、动量、质量传输过程的影响规律；在脉冲电流瞬时作用下热疲劳未失效组织中位错组态、应力分布、回复与再结

51、晶等变化规律，不同电脉冲处理参数对模具钢热疲劳过程中裂纹萌生、扩展与形态演变的影响规律及其作用机制，材料疲劳恢复的本质；脉冲电流瞬时作用时损伤部位或裂纹尖端温度场与应力场的变化关系、裂纹愈合过程的热力学、动力学条件，脉冲电流促使裂纹钝化止裂和损伤愈合的作用机制以及非平衡处理引起的微区相变、局部失效组织演变规律；脉冲电流对模具钢正常与非正常微观组织和力学性能的影响，相关理论体系、结构模型的建立和热疲劳损伤程度的物理表征，动态过程模拟，脉冲电流作为瞬态能量输入促使所选模具钢材料热疲劳恢复和损伤愈合的临界阈值的计算，工艺参数的优化以及材料组织结构种类、热疲劳损伤程度与脉冲能量补给三者之间关系的建立。

52、5本研究的独到之处从广义的过程仿生原理出发，以热作模具钢的热疲劳或热机械疲劳损伤恢复为研究对象，采用瞬态高能量非平衡仿生处理来实现材料疲劳失效的相反过程材料的疲劳恢复及损伤愈合；建立新的理论体系和结构模型，重点研究超短时高能量电脉冲作用下固体金属材料中引发的一系列瞬时动态过程及其伴生现象和局部组织演变规律，揭示瞬态高温、高压、电迁移等综合效应对热疲劳组织中热量、动量、质量传输过程的影响规律和不同类型材料疲劳恢复、损伤愈合过程中呈现的共性规律；通过学科交叉、动态模拟等建立热疲劳损伤过程、损伤程度及疲劳恢复、损伤愈合过程和程度的物理表征方法，研究超短时瞬态加热金属材料中的非平衡固态相变动态回复、再

53、结晶、裂纹愈合等过程的热力学、动力学条件以及非平衡处理引起的位错组态、应力分布变化、微区相变、局部失效组织演变、疲劳恢复、裂纹钝化、愈合等作用机制；确定瞬时高能量电脉冲处理工艺参数的选取原则和优化方法，优化处理工艺，为大幅度提高模具的使用寿命提供新的理论依据和具有自主知识产权的实用技术。据美国心理绒毛杂志报道，从古至今，人类一直在从大自然吸取灵感。维可牢尼龙搭扣即是研究人员受野蓟钩刺启发开发出来的，而第一代道路反射镜也是模仿猫眼结构制造的。今天，模仿大自然的科学（即生体模仿学）已成为一个产值达十亿美元的行业。以下是我们人类从动物王国“偷学”的十大技术。1.塑料涂层（偷学对象：鲨鱼）基于鲨鱼皮开

54、发出的一种塑料涂层，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（TonyBrennan）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

55、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。2.音波手杖(偷学对象：蝙

56、蝠)音波手杖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(Ultracane)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

57、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。新干线列车（偷学对象：翠鸟）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。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（EjiNakatsu）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

58、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1

59、5%。风扇叶片(偷学对象：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(FrankFish)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鳍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

60、的空气分成不同部分，就像是刷毛穿过空气一样。费什的发现现在叫做“结节效应”(tubercleeffect)，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。在水面行走的机器人(偷学对象：蛇怪蜥蜴)蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”