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生物环境材料仿生材料: 仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。通常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称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science) ,它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对象的结构,更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。从20世纪 60年代 正式提出仿生学的概念起,仿生学作为一个学科被正式提出。自20世纪 80年代以来,生物自然复合材料及其仿生的研究在国际上引起了极大重视,目前正在逐步形成新的研究领域,即仿生复合材料。组成生物自然复合材料的原始材料(成分)从生物多糖到各种各样的蛋白质、无机物和矿物质,虽然这些原始生物材料的力学性质并不好,但是这些材料通过优良的复合与构造,形成了具有很高强度、刚度以及韧性的生物自然复合材料。分类:仿生材料包括天然生物材料,如结构蛋白,生物复合纤维,软组织等, 另外为人造生物医用材料,包括一些人造器官,人体组织材料等。特性: 1)生物材料的复合特性大多数复合材料的优良性能是通过基体、增强材料和界面的复合来保证的。现存的生物结构大都符合环境的要求,并成功地达到了优化的水平。植物的细胞和动物的骨骼均可视为生物材料的增强材料,如骨骼、象牙和龟壳的胶原纤维、竹子的维管束以及木材的木纤维等。在有关的因素中,增强材料的体积分数、厚度和取向等均与生物材料的强度、刚度和韧性密切相关。 2)生物材料的功能适应性生物材料的复杂性是长期自然选择的结果,是由功能适应性所决定的。 3)生物材料的创伤愈合生物体的显著特点之一是具有再生机能,受到损伤破坏之后能自行调节使创伤愈合。例如树木和骨的创伤愈合,就是最好的证明。代表性应用实例: 仿生材料设计:陶瓷材料的脆性和增韧一直是研究的热点问题之一,也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题之一。现在人们提出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,但是这些措施很有限,没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题。贝壳珍珠层通过简单组成和复杂结构的精妙组合获得了优良的综合性能在珍珠层中,报石含量为 99,以蛋白质为主的有机质不到 1% 。正是这些有机质将不同尺寸的报石晶片按特殊的层状结构构成了这种复合材料,其断裂韧性比纯报石高出 3000 倍以上。由此得到启发,可以用简单的成分进行复杂的结构组合,改变以前复杂成分简单结构的设计思想,这样更可以提高材料的性能。陶瓷材料的这种仿生结构设计,在很大程度上能改善陶瓷材料的脆性本质,为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路。设计时可以考虑:①简单组成,复杂结构;②引人弱界面层,使裂纹在弱界面层中消耗大量的断裂能;③采用非均质设计,精细结构。黄勇等用基体陶瓷层(如