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本文聚焦仿生复合材料，探讨其结构、组成对机械性能影响，助力可持续材料发展。
# 仿生复合材料的研究进展
摘要
天然材料因轻质、高强度、抗冲击和断裂韧性等特性备受关注，常优于人造材料。本文回顾了仿生复合材料的最新研究，重点探讨成分、微观结构和界面特征如何影响强度、刚度和韧性等机械性能。研究受软体动物壳、骨骼和昆虫外骨骼等生物结构启发的轻质设计，包括用于减轻重量和抗冲击的蜂窝结构，评估蛛形纲动物蛋白质等纤维材料的柔韧性和耐久性，并讨论传统及现代制造技术，包括机器学习。开发卓越、多功能且环保的材料将推动交通、机械工程、建筑和生物医学等领域发展，促进可持续材料科学进步。
引言
自然界中的生物材料由宏观、介观和微观元素独特组合而成，这些基本组件间的复杂相互作用赋予生物材料非凡的功能特性。仿生材料旨在复制天然生物材料的成分、组织、界面和结构以增强功能，是材料创新领域的重要理念和方法。生物在进化过程中受生存压力影响，形成了多功能生物材料，不同生物还发展出类似特征优化机械性能，如轻质多孔结构、成分梯度、多层结构和多尺度特征。本文基于经典文献综合生物材料知识，排除同一物种不同变种差异的研究，认为相似功能需求对应一定程度的结构和成分相似性，主要目的是阐明材料结构、成分与机械性能的关系，聚焦承载能力和能量吸收机制。在仿生结构设计中，从宏观到微观都存在形状模仿，功能复制也体现在不同层面。本文将阐述仿生复合材料的最新研究和概念，通过多学科方法提升材料机械性能，总结生物结构特征，模拟自然生物的宏观、介观和微观属性，探讨将矛盾特性转化为特定功能的材料，如结合软硬成分的抗冲击材料、对循环应力有独特响应的仿生轻质耐磨材料，同时讨论创新进展、趋势和机遇，介绍先进的表征和建模技术，强调从结构和材料维度全面理解生物材料，涵盖其内在属性、结构特征、研发灵感和实际应用。生物材料研究涉及多个学科，包括不同尺度生物材料研究、有机无机材料相互关系探索、生物材料形成机制分析以及材料相互作用研究，仿生材料设计制造和复合材料设计原理特征也是重要组成部分。本文还将总结实验中生物模型的机制、仿生材料的制备方法和机械性能，突出绿色、可持续、低成本和大规模生产方法的潜力。
贝壳
贝类和甲壳类动物外壳的抗冲击特性为人类寻求工程解决方案提供了重要灵感。本部分分析天然材料的设计策略，以及在贝壳和甲壳类动物外骨骼制造中应用的仿生技术，并简要总结研究过程中面临的挑战和取得的进展。贝类外壳的抗冲击性体现在沿软或弱界面的特定能量转移性能上，同时通过裂纹偏转机制实现能量耗散。甲壳类动物则通过螺旋结构等方式扩大结构层内的损伤区域，促进裂纹扩展，优化冲击能量耗散机制。这些特性为仿生材料的开发提供了思路，研究人员试图模仿这些结构，制造出具有类似抗冲击性能的材料。
骨骼
仿生学将天然材料分解为微小结构组件，这些组件具有不同属性，影响独特结构的形成。这些结构可按顺序或随机组装成适应环境的功能单元。即使成分相似的材料，由于复杂的结构，其机械性能也可能存在显著差异。以多孔结构为例，如骨泡沫结构，研究其承载能力以及牙齿、角和蹄等管状结构的抗冲击和抗断裂性能，探讨微观孔隙结构对生物材料整体性能的影响。骨泡沫结构的独特孔隙分布和管状结构的特殊构造，使其在保证一定强度的同时，具备良好的抗冲击和抗断裂能力，这为开发新型仿生材料提供了重要参考，有助于制造出更轻质且力学性能优异的材料。
昆虫
昆虫是一个庞大的分类群体，估计有多达 1000 万种，部分物种已存在约 1.5 亿年。飞行昆虫的功能主要得益于其翅膀和外骨骼的轻质特性，而非飞行昆虫则进化出增强外骨骼强度的特征以抵御捕食。本部分从几丁质入手，研究昆虫生物学，接着探讨外骨骼结构和鞘翅的微观结构组成。几丁质是昆虫外骨骼的重要组成部分，其结构和特性对外骨骼的性能有重要影响。昆虫外骨骼的微观结构，如鞘翅的分层结构和特殊纹理，使其具有轻质、高强的特点，为仿生轻质和增韧材料的开发提供了灵感，有望应用于航空航天、军事等对材料重量和强度要求较高的领域。
蜂窝和广义蜂窝
蜂窝是自然界的杰出建筑成果，由紧密排列的规则六边形几何结构系统组成。自然界中还存在许多类似蜂窝的多孔结构，如葡萄柚皮和竹子的结构。在微观尺度下，这些结构与蜂窝构型相似。蜂窝具有轻质、抗冲击和抗压等特性，通过对传统蜂窝的表征和对广义蜂窝结构特殊功能的探索，可进一步挖掘其在材料科学中的应用潜力。研究人员可模仿蜂窝结构，设计制造出轻质、高强度的仿生材料，用于建筑、汽车制造等行业，既能减轻重量，又能提高结构的稳定性和抗冲击能力。
纤维
前面章节阐述了不同生物的复杂界面属性和微观结构，材料的微观性能取决于所使用纤维的特性。天然纤维性能差异很大，有些纤维具有高强度和模量，有些则密度较低，部分纤维材料还具有良好的柔韧性和耐久性，如纤维素、几丁质、丝绸和蜘蛛丝蛋白纤维等。这些纤维的独特性能为开发轻质、韧性好的材料提供了基础，可应用于纺织、生物医学等领域，如制造高性能的缝合线、组织工程支架等。
结论与展望
自然界是人类创新的宝贵源泉，探索天然材料有助于揭示其优异性能的机制，为开发仿生材料提供指导。不同天然材料的机械性能差异巨大，同一物种的天然材料往往具有多种功能。未来，仿生复合材料的研究将朝着多功能、环保的方向发展，结合先进的制造技术和材料表征方法，有望开发出性能更卓越的材料，在交通、机械工程、建筑和生物医学等领域发挥更大作用，推动可持续材料科学的发展，为人类社会的进步做出贡献。在研究过程中，还需进一步深入探索生物结构与性能的关系，解决仿生材料制造过程中的技术难题，实现仿生材料的大规模应用。
