《仿生智能材料》PPT课件
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仿生智能材料
形状记忆陶瓷的应用：制作金属管的密封外接套。
第3 章 智能材料
铁电形状记忆陶瓷
锆钛酸铅（（Pb，La）（Zr，Ti）O3 ，PZT） 陶瓷中添加稀土镧而获得的锆钛酸铅镧（PLZT） 陶瓷，不但是一种优良的电光陶瓷，而且因其 具有形状记忆功能，即体现出形状自我恢复的 自调谐机制。
形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；而形状记 忆合金应变大，但响应速度慢。二者复合可制成 形状记忆复合材料。
•该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分 子阀"和药物缓释剂等。
第3 章 智能材料
•化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发 材料变形的形状回复。常见的化学感应方式有pH 值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应 和氧化还原反应等。
•该材料用于蛋白质或酶的分离膜;“化学发动机" 等特殊领域。
第3 章 智能材料
常见的形状记忆合金
形状记忆合金
镍-钛系 铜系 铁系
目前用量最大 优点：抗拉强度高、疲劳 强度高、耐蚀性好、密度 小、与人体有生物相容性 缺点：成本高、加工困难
缺点：功能不如镍-钛系 优点：成本低、加工容易
缺点：功能不如铜系 优点：具有价格竞争优势
第3 章 智能材料
形状记忆合金的记忆特性：
形状记忆陶瓷的机理可分为：马氏体形状记忆 陶瓷、铁电形状记忆陶瓷、粘弹性形状记忆陶 瓷、铁磁性形状记忆陶瓷等。
第3 章 智能材料
马氏体形状记忆陶瓷 • 随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、
四方晶系、立方晶系。 • 温度改变可以使四方相和单斜相之间发生可
逆马氏体转变，四方向单斜转变有5％的体 积变化。而且应力也可诱发四方向单斜的转 变。
第3 章 智能材料
第3 章 智能材料
铁电形状记忆陶瓷
锆钛酸铅（（Pb，La）（Zr，Ti）O3 ，PZT） 陶瓷中添加稀土镧而获得的锆钛酸铅镧（PLZT） 陶瓷，不但是一种优良的电光陶瓷，而且因其 具有形状记忆功能，即体现出形状自我恢复的 自调谐机制。
形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；而形状记 忆合金应变大，但响应速度慢。二者复合可制成 形状记忆复合材料。
•该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分 子阀"和药物缓释剂等。
第3 章 智能材料
•化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发 材料变形的形状回复。常见的化学感应方式有pH 值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应 和氧化还原反应等。
•该材料用于蛋白质或酶的分离膜;“化学发动机" 等特殊领域。
第3 章 智能材料
常见的形状记忆合金
形状记忆合金
镍-钛系 铜系 铁系
目前用量最大 优点：抗拉强度高、疲劳 强度高、耐蚀性好、密度 小、与人体有生物相容性 缺点：成本高、加工困难
缺点：功能不如镍-钛系 优点：成本低、加工容易
缺点：功能不如铜系 优点：具有价格竞争优势
第3 章 智能材料
形状记忆合金的记忆特性：
形状记忆陶瓷的机理可分为：马氏体形状记忆 陶瓷、铁电形状记忆陶瓷、粘弹性形状记忆陶 瓷、铁磁性形状记忆陶瓷等。
第3 章 智能材料
马氏体形状记忆陶瓷 • 随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、
四方晶系、立方晶系。 • 温度改变可以使四方相和单斜相之间发生可
逆马氏体转变，四方向单斜转变有5％的体 积变化。而且应力也可诱发四方向单斜的转 变。
第3 章 智能材料
仿生材料ppt
构） 松质骨，羟基磷灰石+胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 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。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 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（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 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。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 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（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
《仿生智能材料》课件
• 2 Malth偶然 -
仿生智能材料的未来展望
tun our
令人'
M M = own the py,psilon we, , n率先垂 up the 1 ，专注于 ， -专注于一 ,聚 , - the一层, ain ,iet所 ，， our， P，，，。，早晨 the.图 ierno乖乖 ， our 1，，"
仿生智能材料的仿生结构设计
生物结构
生物体通过复杂的结构来实现各种功能，如骨骼、肌肉、皮肤等 。这些结构具有优异的力学性能、自适应性等特点。
仿生设计
模仿生物体的结构特点，设计出具有类似功能的材料或结构，如仿 生骨、仿生肌肉等。
仿生应用
通过仿生结构设计，可以改善材料的力学性能、耐久性、自适应性 等方面的性能，为工程领域提供新的解决方案。
仿生智能材料在能源领域的应用
总结词
优化能源储存
详细描述
在能源储存方面，仿生智能材料通过模仿生物体内的能量储存机制，开发出具有 高能量密度、快速充放电能力的储能设备。例如，仿照昆虫的飞行机制设计的微 型飞行器，可以利用仿生智能材料实现高效、持久的能源储存和释放。
仿生智能材料在环保领域的应用
总结词
改善环境质量
仿生智能材料的分类
生物体结构仿生材料
生物体系统仿生材料
模仿生物体的骨骼、肌肉、皮肤等组 织结构的材料，如仿生骨、仿生肌肉 等。
模仿生物体的整体结构和功能的材料 ，如仿生机器人、仿生智能系统等。
生物体功能仿生材料
模仿生物体的生理功能和行为特征的 材料，如仿生传感器、仿生驱动器等 。
仿生智能材料的应用领域
医疗领域
用于制造仿生器官、组织工程 和生物材料，提高医疗效果和
仿生智能材料的未来展望
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M M = own the py,psilon we, , n率先垂 up the 1 ，专注于 ， -专注于一 ,聚 , - the一层, ain ,iet所 ，， our， P，，，。，早晨 the.图 ierno乖乖 ， our 1，，"
仿生智能材料的仿生结构设计
生物结构
生物体通过复杂的结构来实现各种功能，如骨骼、肌肉、皮肤等 。这些结构具有优异的力学性能、自适应性等特点。
仿生设计
模仿生物体的结构特点，设计出具有类似功能的材料或结构，如仿 生骨、仿生肌肉等。
仿生应用
通过仿生结构设计，可以改善材料的力学性能、耐久性、自适应性 等方面的性能，为工程领域提供新的解决方案。
仿生智能材料在能源领域的应用
总结词
优化能源储存
详细描述
在能源储存方面，仿生智能材料通过模仿生物体内的能量储存机制，开发出具有 高能量密度、快速充放电能力的储能设备。例如，仿照昆虫的飞行机制设计的微 型飞行器，可以利用仿生智能材料实现高效、持久的能源储存和释放。
仿生智能材料在环保领域的应用
总结词
改善环境质量
仿生智能材料的分类
生物体结构仿生材料
生物体系统仿生材料
模仿生物体的骨骼、肌肉、皮肤等组 织结构的材料，如仿生骨、仿生肌肉 等。
模仿生物体的整体结构和功能的材料 ，如仿生机器人、仿生智能系统等。
生物体功能仿生材料
模仿生物体的生理功能和行为特征的 材料，如仿生传感器、仿生驱动器等 。
仿生智能材料的应用领域
医疗领域
用于制造仿生器官、组织工程 和生物材料，提高医疗效果和
《仿生智能材料》课件
生物成像
仿生智能材料在生物成像领域的应用，如荧光探针、磁共振成像等 ，有助于对生物体内的微观结构和功能进行无损检测。
航空航天领域的应用
结构材料
仿生智能材料具有优异的力学性能和耐久性，可用于制造飞机、 卫星等航空航天器的结构部件。
智能蒙皮
仿生智能材料可用于制造智能蒙皮，能够感知外部环境变化并作 出响应，提高航空航天器的适应性和安全性。
作简单，适用于大规模生产。
生物法
03
利用微生物或植物提取物等生物资源制备仿生智能材料，具有
环保和可持续性的优点。
材料加工技术
塑性加工
通过热压、挤压、注塑等工艺将仿生智能材料加 工成所需形状和尺寸的制品。
3D打印技术
利用3D打印设备将仿生智能材料逐层堆积成型， 实现个性化定制和复杂结构制造。
表面处理技术
对仿生智能材料的表面进行涂层、镀膜等处理， 以提高其性能和使用寿命。
表面改性与修饰技术
表面接枝改性
通过化学反应在材料表面接上具 有特定功能的基团或分子链，改 善材料表面的润湿性、粘附性等 性能。
表面涂层技术
在材料表面涂覆一层或多层其他 材料，以改变其外观、化学稳定 性、耐磨性等特性。
表面微纳结构构建
生物系统仿生材料
模仿生物的整体系统结构 和功能，如生物自适应、 生物自修复等，具有高度 的感知能力和自适应性。
02
仿生智能材料的仿生学原理
生物的感知与响应
生物通过各种感知器官接收外部信息，如光、热、触觉等， 并作出相应的响应。
生物的感知与响应机制对于仿生智能材料的开发具有重要指 导意义，例如模仿生物的视觉、听觉等感知系统，开发具有 信息感知和反馈功能的智能材料。
合作研究
仿生智能材料在生物成像领域的应用，如荧光探针、磁共振成像等 ，有助于对生物体内的微观结构和功能进行无损检测。
航空航天领域的应用
结构材料
仿生智能材料具有优异的力学性能和耐久性，可用于制造飞机、 卫星等航空航天器的结构部件。
智能蒙皮
仿生智能材料可用于制造智能蒙皮，能够感知外部环境变化并作 出响应，提高航空航天器的适应性和安全性。
作简单，适用于大规模生产。
生物法
03
利用微生物或植物提取物等生物资源制备仿生智能材料，具有
环保和可持续性的优点。
材料加工技术
塑性加工
通过热压、挤压、注塑等工艺将仿生智能材料加 工成所需形状和尺寸的制品。
3D打印技术
利用3D打印设备将仿生智能材料逐层堆积成型， 实现个性化定制和复杂结构制造。
表面处理技术
对仿生智能材料的表面进行涂层、镀膜等处理， 以提高其性能和使用寿命。
表面改性与修饰技术
表面接枝改性
通过化学反应在材料表面接上具 有特定功能的基团或分子链，改 善材料表面的润湿性、粘附性等 性能。
表面涂层技术
在材料表面涂覆一层或多层其他 材料，以改变其外观、化学稳定 性、耐磨性等特性。
表面微纳结构构建
生物系统仿生材料
模仿生物的整体系统结构 和功能，如生物自适应、 生物自修复等，具有高度 的感知能力和自适应性。
02
仿生智能材料的仿生学原理
生物的感知与响应
生物通过各种感知器官接收外部信息，如光、热、触觉等， 并作出相应的响应。
生物的感知与响应机制对于仿生智能材料的开发具有重要指 导意义，例如模仿生物的视觉、听觉等感知系统，开发具有 信息感知和反馈功能的智能材料。
合作研究
仿生智能材料
第一章绪论1、基本概念仿生学概念：人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。
人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。
对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。
生物材料：通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。
仿生材料（Bio-inspired）：受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。
材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。
智能材料：具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。
2、智能材料的特征具体地说，智能材料具备下列智能特性：(1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等；2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应；(3)具有对环境变化作出响应及执行的功能；(4)反应灵敏、恰当；(5)外部刺激条件消除后能迅速回复智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。
3、智能材料的构成智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。
基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。
敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化（温度、湿度、压力、pH值等）。
常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。
在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。
2024年度仿生智能材料ppt教案
分子自组装
利用分子间的相互作用力，如氢 键、范德华力等，使智能材料分 子在特定条件下自组装成具有仿
生结构的聚集体。
纳米自组装
通过纳米级别的自组装技术，构 建具有特定功能的仿生智能材料
。
多层次自组装
结合不同尺度的自组装技术，实 现多层次、多功能的仿生智能材
料制备。
2024/3/23
13
3D打印技术应用
2024/3/23
11
模板法合成技术
模板选择与设计
根据目标仿生结构，选择合适的 模板材料，如生物模板、人工合
成模板等。
2024/3/23
材料填充与固化
将智能材料前驱体填充到模板中， 通过固化反应形成具有仿生结构的 智能材料。
模板去除
采用适当的方法去除模板，得到具 有仿生结构的智能材料。
12
自组装技术
2024/3/23
8
生物感知与响应机制
01
02
03
感知机制
研究生物的感知机制，如 视觉、听觉、嗅觉等，应 用于传感器和检测技术的 设计。
2024/3/23
响应机制
借鉴生物的应激响应机制 ，如自适应、自修复等， 提高材料的智能性和适应 性。
信息传递与处理
模拟生物体内的信息传递 和处理方式，如神经网络 和遗传算法，应用于人工 智能和计算机领域。
通过压电常数测量仪测量仿生智能材料的压电常数，研究其压电 效应及在传感器等领域的应用潜力。
18
05 仿生智能材料在各领域 应用前景
2024/3/23
19
传感器领域应用
仿生智能材料可用于制造高灵敏度、高选择性的传感器，如气体传感器、生物传感 器等。
利用仿生智能材料的自适应性，可设计出能够自适应环境变化的传感器，提高传感 器的稳定性和可靠性。
仿生智能材料 ppt课件
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
ppt课件
7
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
•2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠
覆盖，每一个鳞片上分布有排列
整齐的纳米条带结构，每条带由
倾斜的周期性片层堆pp积t课件而成。
8
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
ppt课件
24
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过 程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取 代的过程。
气液
液
固
固
(1)沾湿
ppt课件
固 气液
固液
(2)浸渍润湿
25
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
液
液
气
固
固
(3)铺展or完全润湿
身体的重量，它在水
面上每秒钟可滑行
100倍于身体长度的
距离。
ppt课件
水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和
油脂的协同效应
10
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿部有数 千根按同一方向 排列的多层微米 尺寸的刚毛（直 径3um），刚毛 表面形成螺旋状 的纳米沟槽结构。
ppt课件
Cassie model
cosc f1 cos1 f2 cos2
30
cosc f1 cos1 f2
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
仿生智能材料--ppt课件
在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼 阻力降低85%。
ppt课件
37
智能材料与住宅智能化
ppt课件
38
（1）多功能砖
具有变通性和智能性。 主要由四个分层构成： 第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能， 并能控制这些能量的输出；
第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；
第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；
ppt课件
10
ppt课件
11
仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而
开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成
分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生。
ppt课件
12
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
ppt课件
7
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。
功能材料
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料
ppt课件
ppt课件
37
智能材料与住宅智能化
ppt课件
38
（1）多功能砖
具有变通性和智能性。 主要由四个分层构成： 第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能， 并能控制这些能量的输出；
第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；
第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；
ppt课件
10
ppt课件
11
仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而
开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成
分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生。
ppt课件
12
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
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7
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。
功能材料
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料
ppt课件
智能材料(课堂PPT)
26
单纤双向光纤收发器
用途
■城域光纤宽带网，适用于电信、 网通、广电等数据网络运营商
■ 多媒体传输：图像、话音、数据 综合传输、适用于远程教学、会议
电视、可视电话等应用 ■ 实时监控：实时控制信号、图像
及数据同时传输 ■ 抗恶劣环境：适用于强电磁干扰、
远距离的恶劣环境下组网
27
（ ⅲ ）电／磁流变液智能材料 （ⅳ）磁致伸缩智能材料
13
（3） 智能特性
智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能 材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化， 具有自学习、自适应等功能。
由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特 性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各 种信息通过神经网络传输到计算机系统。现在一般有两种方 法，一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各 种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在智能材
36
（ ⅲ ） 自适应性和自修复性
• 研究得比较多的是使材料表层的形状和厚度能根据需要随时 自动形成。人体皮肤的自适应性。
• 钛铝合金是用于高温发动机的重要高温材料，高温使用时， 氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质到材料中， 在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹伤口内，充填 裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保护材料肌体部件。
35
自调节智能材料的另一有趣实例，就是能够使药物 定位投放。日本科学家已经研制一种微细胶囊物质材料， 能够将药物包裹后带到身体的病变部位。在病变部位胶囊 物质表皮自行破裂而释放出药物，医治病变细胞。
这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中 的定位投放，能提高效率，降低成本，减少污染，是农业 技术发展的方向。
单纤双向光纤收发器
用途
■城域光纤宽带网，适用于电信、 网通、广电等数据网络运营商
■ 多媒体传输：图像、话音、数据 综合传输、适用于远程教学、会议
电视、可视电话等应用 ■ 实时监控：实时控制信号、图像
及数据同时传输 ■ 抗恶劣环境：适用于强电磁干扰、
远距离的恶劣环境下组网
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（ ⅲ ）电／磁流变液智能材料 （ⅳ）磁致伸缩智能材料
13
（3） 智能特性
智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能 材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化， 具有自学习、自适应等功能。
由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特 性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各 种信息通过神经网络传输到计算机系统。现在一般有两种方 法，一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各 种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在智能材
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（ ⅲ ） 自适应性和自修复性
• 研究得比较多的是使材料表层的形状和厚度能根据需要随时 自动形成。人体皮肤的自适应性。
• 钛铝合金是用于高温发动机的重要高温材料，高温使用时， 氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质到材料中， 在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹伤口内，充填 裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保护材料肌体部件。
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自调节智能材料的另一有趣实例，就是能够使药物 定位投放。日本科学家已经研制一种微细胶囊物质材料， 能够将药物包裹后带到身体的病变部位。在病变部位胶囊 物质表皮自行破裂而释放出药物，医治病变细胞。
这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中 的定位投放，能提高效率，降低成本，减少污染，是农业 技术发展的方向。
仿生智能材料经典课件
仿生智能材料
一、 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料
二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的应用
一、 仿生学
1、仿生学概念
人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历 了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出 人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功 能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决 问题的智慧和灵感。
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
智能材料需具备以下内涵：
（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外 界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；
（2）具有驱动功能，能够响应外界变化； （3）能够按照设定的方式选择和控制响应； （4）反应比较灵敏、及时和恰当； （5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始
状态。
常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。
(3)驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。
常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。
(4)其它功能材料
美国研发出一款举世无双 的“海豚潜艇”，它不仅 在外形上酷似海豚，而且 能像海豚一样学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或 者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物 的科学”。
一、 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料
二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的应用
一、 仿生学
1、仿生学概念
人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历 了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出 人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功 能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决 问题的智慧和灵感。
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
智能材料需具备以下内涵：
（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外 界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；
（2）具有驱动功能，能够响应外界变化； （3）能够按照设定的方式选择和控制响应； （4）反应比较灵敏、及时和恰当； （5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始
状态。
常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。
(3)驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。
常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。
(4)其它功能材料
美国研发出一款举世无双 的“海豚潜艇”，它不仅 在外形上酷似海豚，而且 能像海豚一样学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或 者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物 的科学”。
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3、在墙壁上行走的动物—壁虎
壁虎能在光滑的
墙壁上行走自如，是
由于它的每只脚底长
着大约50万根极细的
刚毛（长100um)，刚
毛末端又有约400—
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蝴蝶翅膀的多重结 构产生二元色
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蝴蝶漂亮的双翅处理光线的原理竟与数码显示器 的原理相类似，这为研究和设计新型光发射器具有重 要的意义。
仿蝴蝶结构
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2、孔雀羽毛的绚丽色彩
与薄膜干涉不同， 孔雀羽毛的颜色策略非 常精妙，小羽枝表皮下 面的周期结构是羽毛结 构颜色的起因（下图）
• 仿生合成(biomimetic synthesis)一般是指利用自 然原理来指导特殊材料的合成, 即受自然界生物 特殊结构和功能的启示, 模仿或利用生物体结构、 功能和生化过程并应用到材料设计,以便获得接 近或超过生物材料优异特性的新材料,或利用天 然生物合成的方法获得所需材料。
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• 目前仿生材料的制备方法可简单地归纳为：
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模拟蛋白石的微观结构，可以人工合成类似蛋白石 的结构，称为合成蛋白石。以SiO2、PS等蛋白石为模板， 在其空隙中填充高折射率的材料或其前体材料，等矿化 后，通过煅烧、化学腐蚀等方法除去初始的SiO2或聚合 物膜板，得到规则排列的空气孔，还可得到反蛋白石。
蛋白石及 反蛋白石 实际上就 是所说的 光子晶体。
结构仿生：通过制备与生物结构或形态相似的 材料代替天然材料，如光子晶体材 料、仿生空心结构材料、仿生物骨 骼等。
功能仿生：直接模仿生物的独特功能获取所需 材料，如仿荷叶超疏水材料、仿 蜘蛛丝超韧纤维、仿贝壳高强材 料等。
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二、自然界中的结构颜色
化学色 一般指通过生物体内所含有的色
显色原理
孔雀小羽枝的微观结构
它阐明了自然界调控
ห้องสมุดไป่ตู้
色彩产生的巧妙机制，启
发人类在控制色彩方面的
新思路，如增加视觉或产
生视觉干扰，甚至可能在
未来的显示技术方面探索
一条新路子。
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3、色泽鲜艳的蛋白石
蛋白石是由亚微 米二氧化硅粒子以立 方密堆积结构沉积形 成的矿物，其色彩缤 纷的外观与色素无关， 而是因为它几何结构 上的周期性使它具有 光子能带结构，随着 能隙的位置不同，反 射光的颜色也跟着变 化，因而出现美丽的 颜色。
2）表面各向异性
水稻叶表面具有类似于荷叶表面微/纳米结合的阶层结 构，但在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边缘的方向排列有 序，而沿着垂直方向呈无序的任意排列，水滴在这两个方 向的滚动角也不相同，其中沿平行方向为3-5°，垂直方 向为9-15°。
研究表明，水滴在水稻叶表面的滚动各向异性，是由 于表面微米结构乳突的排列精影选p响pt 了水滴的运动造成的。17
2、在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，它的一 条腿能在水面上支撑起15倍于身体的重量，在水上稳定站 立并可快速行走是利用腿部特殊的微米与纳米相结合的结 构效应来实现的。这一发现可用于新型防水纺织品的生产， 也许有助于设计出新型水上交通工具。
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模仿水黾“水上漂”功夫的机器人
SiO2反蛋白石的SEM照片
光子晶体在生物、电子、环境、材料等多个领域都有
着十分广泛的应用前景。 精选ppt
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三、自然界中具特殊表面性能的生物体
1、植物叶表面的自清洁性
1）荷叶效应
在荷叶表面微米结构的乳突 上还存在纳米结构，这种微米结 构与纳米结构相结合的阶层结构 是引起表面超疏水的根本原因， 而且，如此所产生的超疏水表面 具有较大的接触角及较小的滚动 角。
在一定条件 下，可产生 较大的应变 和应力，但 负响应和控 制的任务
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3、仿生智能材料的设计思想
仿生智能材料的设计思想可分解为如下五个层次：
• 生物智能化的设计理念 • 多尺度结构效应的协调 • 智能响应性分子的设计与合成 • 异质界面设计 • 弱相互作用双稳态协调效应
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4、仿生材料的制备方法
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从(a)可看到， 荷叶粗糙表面上有微 米结构的乳突，平均 直径为5-9um。单个 乳突又是由平均直径 约为124.3±3.2nm 的纳米结构分支组成 (b)。在荷叶的下一 层表面同样可以发现 纳米结构，它可以有 效的阻止荷叶的下层 被润湿(c)。
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荷叶表面的ESEM照片 16
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2、智能材料
智能材料是指具有感知环境（包括内环境和外环 境）刺激后，能够采取一定的措施进行适度响应 的材料。
智能材料的构想来源于仿生，它的目标是研制出 一种材料，使它成为具有类似于生物体所具有的 各种功能的“活”的材料。
智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本 要素
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智能材料的特点： 1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外 界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、环境等； 2）具有驱动功能，能够响应外界变化； 3）能够按照设定的方式选择和控制响应； 4）反应比较灵敏、及时和恰当； 5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始 状态。
仿生智能材料
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一、基本概念
1、仿生材料
1）定义：模拟生物结构或生物功能的材料。
2）仿生材料学是化学、材料学、生物学、物理学
等学科的交叉。 3）材料的仿生包括：
模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、 结构仿生； 模仿生物体中形成材料的过程和加工制备 仿生； 模仿生物体系统功能的功能仿生。
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智能材料的构成
（它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统 ）
智能材料
基本材料 敏感材料 驱动材料 信息处理器
首选高分子 材料，因为 质量轻，耐 腐蚀；其次 也可选金属 材料，以轻质 有色合金为主
担负传感的 任务，主要 作用是感知 环境的变化 （温度、湿 度、压力、 pH值等）
素对光的吸收所引起的颜色
生
物理色 指光在生物体的亚微米结构中的反
物
射、散射、干涉或衍射所形成的颜
体
色，也称结构色。
颜
色
静态色 指那些在生长过程中形成的非随
可变化性
意可控的颜色
动态色 指那些可随周围环境及条件变化
的颜色精选ppt
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1、色彩斑斓的蝴蝶翅膀
蝴蝶翅膀上的斑斓色 彩，其实是鳞粉上排列整 齐的次微米结构，选择性 反射日光的结果。