發(fā)布時(shí)間：2021-06-16 05:50

　　大自然在創(chuàng)造萬物時(shí)對于生物材料中有限尺寸基元的組裝有著極其嚴(yán)格的控制,從而使得生物結(jié)構(gòu)材料通常具有納米甚至分子級(jí)別上高度有序的結(jié)構(gòu)特征,而正是這些精妙的多級(jí)結(jié)構(gòu)賦予了這些生物材料力學(xué)和光學(xué)等多方面優(yōu)異性能�？茖W(xué)家受天然材料中的結(jié)構(gòu)特征和增強(qiáng)增韌機(jī)理的啟發(fā),結(jié)合工程設(shè)計(jì)原則,發(fā)展“仿生組裝”技術(shù)來制備高性能纖維結(jié)構(gòu)材料。本論文將首先對目前不同種類的仿生結(jié)構(gòu)材料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,接著將介紹基于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的纖維材料的幾種典型組裝方法以及該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。我們將以骨骼、木材、蠶絲和動(dòng)物毛發(fā)等常見的生物結(jié)構(gòu)材料中經(jīng)典的單軸取向結(jié)構(gòu)和跨越多尺度的多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)為模型,利用天然纖維材料中各向異性組裝單元在軟介質(zhì)中有序排列的增強(qiáng)增韌機(jī)理,通過復(fù)合納米纖維和有機(jī)物,設(shè)計(jì)制備機(jī)械性能增強(qiáng)的納米復(fù)合纖維材料,并對組裝過程-纖維結(jié)構(gòu)-材料力學(xué)性能三者之間的關(guān)系進(jìn)行分析討論。所取得的具體研究成果歸納如下:1.結(jié)合濕法紡絲和定向干燥技術(shù),利用流體剪切誘導(dǎo)組裝原理,基于不同類型納米纖維基元,成功制備了細(xì)菌纖維素納米纖維/海藻酸鈉（BC-Alg）、碳納米管/海藻酸鈉（CNT-Alg）和硬硅鈣石礦物納米線/... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１自然利用多糖類、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)制備了結(jié)構(gòu)和功能多樣化的生物材料ｗ??

似性能優(yōu)越，但相對比生物材料，其對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制便顯得過于粗糙。??生物材料的主要組成部分僅由極少數(shù)種類的原料構(gòu)成，這些原料通常包括多??糖類（如纖維素和幾丁質(zhì)），蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)（如圖１．１）?１｜］，由于其可選用的材??料來源相對較少，這些物質(zhì)的某些性質(zhì)往往比工程材料差。但是為滿足生物體復(fù)??雜多樣的功能需求，大多數(shù)生物材料往往能夠結(jié)合多種優(yōu)異性能于一體，有時(shí)不??僅要滿足個(gè)體生存的需要，甚至還要滿足種群的需要，如集體運(yùn)動(dòng)、信號(hào)的發(fā)出??和接受、自我修復(fù)、機(jī)械穩(wěn)定性、對光照或低溫的抵抗力及適應(yīng)性等等。正是這??些集多種性能于一體的獨(dú)特性質(zhì)使得科學(xué)家對生物材料的研宄如此癡迷，而隨著??相關(guān)領(lǐng)域研宄的不斷深入，也引出了許多問題：如何基于廉價(jià)的基礎(chǔ)材料獲得有??價(jià)值的功能？如何基于組成結(jié)構(gòu)的微小變化構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)，以促進(jìn)材料的回收??利用？大自然如何在設(shè)計(jì)一種材料的同時(shí)結(jié)合多種功能？我們是否也可以利用??結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使材料具備更強(qiáng)更優(yōu)異的性能？合理解決上述問題，正是“仿生科學(xué)”??所努力的目標(biāo)＋８］。??？）?礦物?咖??＃?－ｍｍ心??好雛肇?觸白??圖１．１自然利用多糖類、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)制備了結(jié)構(gòu)和功能多樣化

胞壁［１７，１８】；而在節(jié)肢動(dòng)物的外骨骼中，幾丁質(zhì)－蛋白質(zhì)處纖維會(huì)沿著它們的法線??方向以螺旋堆疊的方式排列成平面層狀結(jié)構(gòu)，相鄰的纖維層以恒定的角度旋轉(zhuǎn)完??成１８０°的完整周期排列［１６］。這種多尺度的組裝策略（如圖１．２）為材料的特殊??機(jī)械強(qiáng)度以及如結(jié)構(gòu)支撐、防御和捕獲獵物等諸如此類的多項(xiàng)關(guān)鍵生理功能提供??了基礎(chǔ)ｔ８，１％??在本章中，我們將對不同種類的仿生結(jié)構(gòu)材料的研宄進(jìn)展進(jìn)行回顧和總結(jié)，??并對仿生纖維結(jié)構(gòu)材料的幾種典型組裝方法進(jìn)行綜述，同時(shí)我們也將介紹基于仿??生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的纖維材料的研宄現(xiàn)狀及其在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景。??１．２仿生結(jié)構(gòu)材料??盡管由于環(huán)境限制，相比于人類，原始自然環(huán)境中的生物體可獲得的原材料??來源極為有限（大多為脆性礦物和柔性的生物大分子），但是天然結(jié)構(gòu)材料卻在??某些方面的性能遠(yuǎn)優(yōu)于由既強(qiáng)又初的陶瓷基元構(gòu)成的工程材料�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，天??然生物材料的這些優(yōu)異性能來源于其在多個(gè)尺度上表現(xiàn)出的精確到納米尺度甚??至分子尺度的髙度有序的結(jié)構(gòu)特征［８；！（）＿２５】（如圖１．３所示）。就組成單元的絕對性??能而言，生物材料可能比不上大多數(shù)的工程材料，但神奇的是，這些硬質(zhì)的生物??材料在宏觀上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于它們的結(jié)構(gòu)成分的性能提升


本文編號(hào)：3232493