复合材料仿生.pptx

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1、1古代鲁班造锯：上山砍树，因带齿的丝茅草叶划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动的仿生例子。现代第1页/共46页2自然界的智慧隐身衣当光线照射到一个物体时，物体会将光线反射回来。反射的光线进入人们的眼睛，于是眼睛就看到了该物体。这就是物体可见的原理。而由“超材料”制成的隐形衣则具有负反射率的特点，可以紧紧吸住照射过来的光波，让光波辐射沿最内圈弯曲，只停留在衣服周边缓慢波动，而不会反射出去，于是就产生了隐形效果。穿上隐形衣的人也将隐藏于其中。第2页/共46页3形状仿生蚂蚁车第3页/共46页4自然法则能量最小原则（非共价键，室温，光合作用）最优化原则（优胜劣汰-隐身色）功能适应性原则（进化）第4页

2、/共46页5生物材料的特征最小能量判据-化学反应发生在低（室）温-氢键,亲水/疏水相互作用-分级结构（分子组装）优化的性能（功能）-手性-液晶（取向）-对刺激的响应性生物循环圈-起始材料（C,H,O,Si）简单-可修复，可再生第5页/共46页6生物材料的结构特征分级结构（头发，木）纳米结构（荷叶，蝴蝶）膜结构第6页/共46页7仿生学和仿生材料学原理-向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物结构、特点和功能的新学科。仿生是方法结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结构，优化的结构等）功能（催化，传输过程，分子识别等）从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系，研发类似或优于生物材料的新材料第

3、7页/共46页8仿生材料学（例）荷叶效应蝴蝶颜色叶绿素的光合作用生物膜结构与功能（植物细胞壁，类脂）腱，头发和木的分级结构骨和昆虫壳（皮）的纤维复合材料结构贝壳韧性（薄壳结构）蛛丝强度蜂窝结构的稳定性第8页/共46页9荷叶效应（Lotus Effect）自清洁表面（涂料，材料）德国生物学家Barthlott发现国家体育馆 第9页/共46页10荷叶表面特征-1第10页/共46页11莲叶表面特征-2微凸球（乳突）阵列第11页/共46页12滚动角（A-R）小，易滚动第12页/共46页13蝴蝶翅膀：自清洁性微凸球（乳突）阵列超疏水性第13页/共46页14蝴蝶翅膀：结构色第14页/共46页15蛛丝：强而

4、韧 蛛丝（蛋白质纤维）是世界上最坚韧的纤维材料。杜邦公司利用基因技术，已制造出具有蛛丝特性的蛋白质并制成纤维，具有更高的强度、韧性和耐磨性。液晶纺丝 1.4万只蜘蛛产出的蛛丝仅有1盎司（约28.35克）第15页/共46页16蛛丝纺织品（六氟异丙醇溶液）70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球体蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上抽取了约80英尺（约24.4米）长的蛛丝，纺织成这块11英尺4英尺的披肩（重1.18kg）第16页/共46页17昆虫壳-甲壳质纤维/蛋白质基体复合材料第17页/共46页18贝壳：95%CaCO3/5%蛋白质基体复合材料第18页/共46页19增韧机理：有机基体纤维

5、化的作用第19页/共46页20增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构（稳定性好）第20页/共46页21珍珠：砖墙结构和蜂窝结构第21页/共46页22骨：复合材料（胶原为基体，磷酸钙为分散相）第22页/共46页23仿骨哑铃形状-拉伸-增强机理脱粘，拔出，断裂第23页/共46页24树根：自修复复合材料自愈合第24页/共46页251.塑料涂层(学习对象：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

6、，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

7、。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。十大仿生技术第25页/共46页262.音波手杖(学习对象：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(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

8、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。第26页/共46页273.新干线列车(学习对象：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

9、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(EijiNakatsu)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，

10、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%。第27页/共46页284.风扇叶片(学习对象：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

11、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”(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

12、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。第28页/共46页29无叶片的风扇第29页/共46页305.在水面行走的机器人(学习对象：蛇怪蜥蜴)蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”(JesusChristlizard)，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。

13、2003年，卡内基梅隆大学的机器人技术教授梅廷斯蒂(MetinSitti)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。第3

14、0页/共46页316.太阳能电池板(学习对象：马勃菌)橙黄色的马勃菌海绵(puffballsponge)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

15、生物技术教授丹尼尔摩斯(DanielMorse)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。第31页/共46页327.多刃锯(学习对象：树蜂)不要害怕树蜂屁股上两根像鞭子一样的大大的针状物。它们不是刺儿，而是“钻头”。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

16、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。第32页/共46页338.X光透视机(学习对象：龙虾)X光透视机大而笨重是有原因的，与可见光不同，X光

17、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。

18、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。第33页/共46页349.保存疫苗(学习对象：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(Resurrectionplan)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

19、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

20、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。第34页/共46页3510.汽车车板(学习对象：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

21、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(Styrofoamcup)一样。美国加州大学圣迭戈分校工程学教授马克梅耶斯(MarcMeyers)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。第35页/共46页36Questions?人类对复合材料的研究任重道远，远没

22、有达到自然界进化的水平第36页/共46页37作业要求 论文题目：自选 字数：A4最少4页（5号字）标题，姓名，学号，引言-结论 参考文献格式：按北京化工大学学报（国家标准）不要封面！正反面打印（环保）标准：归纳和演绎能力第37页/共46页38 引言部分：概念要清晰，定义要明确 正文：事实要全面，观点要正确，例子要 新颖（尽量引用自己的工作）结论部分：评论要有自己的观点怎样写综述（作业）归纳：多看文献，总结规律 演绎：要有思想，独立评价第38页/共46页39CRYSTALLIZATION KINETICS OF POLYMER NANOCOMPOSITES STUDIED BY DSC TECH

23、NIQUE:A REVIEW1 INTRODUCTIONPolymer nanocomposites defined as the fillers less than 100 nm in at least one dimension including nanoscaled particles,platelets,whiskers,and fibrous fillers uniformly dispersed in polymer matrix with low loading are now recognized as a new promising area in 21th century

24、.第39页/共46页402 NUCLEATION,FOLDED CHAIN LAMELLAE,AND SPHERULITS第40页/共46页413 DETERMINATION OF CRYSTALLIZATION KENETICS BY DSC TECHNIQUE第41页/共46页424 ISOTHERMAL CRYSTALLIZATION KINETICS第42页/共46页5 NON-ISOTHERMAL CRYSTALLIZATION KINETICSPP PP/5%SiO2第43页/共46页446 COLD CRYSTALLIZATION KINETICS7 CONCLUSIONS Ma

25、ny crystallization kinetics parameters,n,k,t1/2,X(t),X(T),Tp,G,E,E,Kg,e,q,and Na,which referred to the crystallization processes crystal structure of polymer nanocomposites,can be determined by DSC.The physical meanings of those parameters were explained by the study cases.It was shown that nucleati

26、on role of nanoscaled particles such as nano-SiO2 and POSS,platelets such as MMT,and fibrous fillers such as CNT in polymer nanocomposites that in most cases,nano-fillers acted more efficiently as nucleation agent induce polymer crystallization,where the heterogeneous nucleation occurs and it speeds

27、 up the overall crystallization rate,decreases the relative degree of crystallinity and crystal size due to interfacial interactions between nano-filler surface and polymer chain.However,it was also observed unusually crystallization behavior where nano-filler increases the crystal size and lowers t

28、he crystallization rate of polymer nanocomposites.第44页/共46页45 It was observed that scale effect of dispersed nano-fillers in polymer nanocomposites that nanohybride shish-kebab(NHSK)structure formation was induced by CNT but not by carbon fiber.It was proved that interfacial effect in polymer nanoco

29、mposites that due to larger interfacial area between nano-filler surface and polymer chain and interfacial interactions such as hydrogen bonds obviously affects the nucleation,growth,and final crystalline morphology.It was noted that crystalline polymers in either exfoliated or intercalated nanocomp

30、osites have different crystallization behavior.Besides the nucleating effect,some papers reported that MMT surfaces(silicate layers)can retard the crystal growth process,but other results shown that MMT may promote the growth of spherulites.Therefore,the crystallization kinetics of layered nanocomposites is complex depending on the layered structure formed such as intercalated or exfoliated content,MMT loading,crystallization behavior of polymers,as well as the crystallization conditions.第45页/共46页