基于仿生结构设计的机械增强纳米复合纤维的制备

发布时间：2021-06-16 05:50

　　大自然在创造万物时对于生物材料中有限尺寸基元的组装有着极其严格的控制,从而使得生物结构材料通常具有纳米甚至分子级别上高度有序的结构特征,而正是这些精妙的多级结构赋予了这些生物材料力学和光学等多方面优异性能。科学家受天然材料中的结构特征和增强增韧机理的启发,结合工程设计原则,发展“仿生组装”技术来制备高性能纤维结构材料。本论文将首先对目前不同种类的仿生结构材料的研究进展进行综述,接着将介绍基于仿生结构设计的纤维材料的几种典型组装方法以及该领域的研究现状和应用前景。我们将以骨骼、木材、蚕丝和动物毛发等常见的生物结构材料中经典的单轴取向结构和跨越多尺度的多级螺旋结构为模型,利用天然纤维材料中各向异性组装单元在软介质中有序排列的增强增韧机理,通过复合纳米纤维和有机物,设计制备机械性能增强的纳米复合纤维材料,并对组装过程-纤维结构-材料力学性能三者之间的关系进行分析讨论。所取得的具体研究成果归纳如下:1.结合湿法纺丝和定向干燥技术,利用流体剪切诱导组装原理,基于不同类型纳米纤维基元,成功制备了细菌纤维素纳米纤维/海藻酸钠（BC-Alg）、碳纳米管/海藻酸钠（CNT-Alg）和硬硅钙石矿物纳米线/... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１自然利用多糖类、蛋白质和矿物质制备了结构和功能多样化的生物材料ｗ??

似性能优越，但相对比生物材料，其对于内部结构的设计和控制便显得过于粗糙。??生物材料的主要组成部分仅由极少数种类的原料构成，这些原料通常包括多??糖类（如纤维素和几丁质），蛋白质和矿物质（如图１．１）?１｜］，由于其可选用的材??料来源相对较少，这些物质的某些性质往往比工程材料差。但是为满足生物体复??杂多样的功能需求，大多数生物材料往往能够结合多种优异性能于一体，有时不??仅要满足个体生存的需要，甚至还要满足种群的需要，如集体运动、信号的发出??和接受、自我修复、机械稳定性、对光照或低温的抵抗力及适应性等等。正是这??些集多种性能于一体的独特性质使得科学家对生物材料的研宄如此痴迷，而随着??相关领域研宄的不断深入，也引出了许多问题：如何基于廉价的基础材料获得有??价值的功能？如何基于组成结构的微小变化构建复杂的系统，以促进材料的回收??利用？大自然如何在设计一种材料的同时结合多种功能？我们是否也可以利用??结构设计使材料具备更强更优异的性能？合理解决上述问题，正是“仿生科学”??所努力的目标＋８］。??？）?矿物?咖??＃?－ｍｍ心??好雏肇?触白??图１．１自然利用多糖类、蛋白质和矿物质制备了结构和功能多样化

胞壁［１７，１８】；而在节肢动物的外骨骼中，几丁质－蛋白质處纤维会沿着它们的法线??方向以螺旋堆叠的方式排列成平面层状结构，相邻的纤维层以恒定的角度旋转完??成１８０°的完整周期排列［１６］。这种多尺度的组装策略（如图１．２）为材料的特殊??机械强度以及如结构支撑、防御和捕获猎物等诸如此类的多项关键生理功能提供??了基础ｔ８，１％??在本章中，我们将对不同种类的仿生结构材料的研宄进展进行回顾和总结，??并对仿生纤维结构材料的几种典型组装方法进行综述，同时我们也将介绍基于仿??生结构设计的纤维材料的研宄现状及其在生物医学等领域内的应用前景。??１．２仿生结构材料??尽管由于环境限制，相比于人类，原始自然环境中的生物体可获得的原材料??来源极为有限（大多为脆性矿物和柔性的生物大分子），但是天然结构材料却在??某些方面的性能远优于由既强又初的陶瓷基元构成的工程材料。科学家发现，天??然生物材料的这些优异性能来源于其在多个尺度上表现出的精确到纳米尺度甚??至分子尺度的髙度有序的结构特征［８；！（）＿２５】（如图１．３所示）。就组成单元的绝对性??能而言，生物材料可能比不上大多数的工程材料，但神奇的是，这些硬质的生物??材料在宏观上实现了远远优于它们的结构成分的性能提升


本文编号：3232493