《功能材料概論》 期末小**
摘要：隨著人民生活質量的進一步改善和提高 ,人們的生活對各種科學技術的要求也不斷提高，而許多科技產品的發展都需要新型材料的支援，而新型功能材料正好能為科技提供發展基礎。什麼是功能材料？
功能材料具有優良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫學功能，有特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，主要用來製造各種功能元器件而被廣泛應用於各類高科技領域的高新技術材料。功能材料市場將很快轉化為充滿勃勃生機的現實市場,從而創造出巨大的社會經濟效益，成為國民經濟的乙個支柱產業。下面我想談談功能材料的乙個分支-----仿生功能材料
1、什麼是仿生功能材料？
仿生功能材料指模仿生物的各種特點或特性而開發的材料。自然界中存在的天然生物材料有著人工材料無可比擬的優越性能。我們通過研究他們的特點特性，製造我們能使用的材料，例如研究螢火蟲發明人工冷光、研究電魚發明伏特電池；研究蒼耳屬植物發明尼龍搭扣、研究鯊魚發明特質泳衣……
2、仿生功能材料的基本原理
現實生活中我們接觸過許多動物與植物，例如屹立幾百年而不倒的大樹；幾乎不發熱量的冷血昆蟲，而地球上所有生物都是由一些簡單且廉價的無機和有機材料通過組裝而形成，他們僅僅利用極少的幾種元素，主要是碳、氫、氧、氮等組合而成，便能發揮出多種多樣的功能，這實在令人嘆服！在高分子化學世界裡,我們已經製造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚醯胺等人工材料,具有多種多樣的功能。但是,人類所創造的材料與自然界生物體的構成材料還有很大的不同，迄今為止，再高明的材料科學家也做不出具有高強度和高韌性的動物牙釉質；海洋中長出的色彩斑斕、堅固又不被海水腐蝕的貝殼。
如果我們眼光投向生物體的材料構造與形成過程，在充分的理解生物現象之後，用生物材料的觀點來思考人工材料,從生物功能的角度來設計與製作適合人類生活所需的材料。
3、仿生功能材料的運用舉例及原理
1、自清潔玻璃
仿生機理： 荷葉表面多尺度結構和表皮生物臘的存在是引起荷葉表面「自清潔」的原因。荷葉表面由很多密集排列的直徑10～20μm左右「乳突」所組成，它們之間存在奈米級空隙，而每乙個微公尺級乳突上還存在很多直徑200nm左右的小乳突。
形成微奈米雙重結構的乳突，使空氣填充其間。水在荷葉上，由於表面張力和乳突間空氣的阻力的作用，水的表面總是趨向於盡可能縮小成球狀，接觸角可達170度左右，幾乎完全不浸潤。荷葉使水和塵埃在其表面的接觸面積比一般材料減少了90％多，水滴極易滾動，在水滴滾動的同時，就帶走了葉子上的塵埃和細菌，從而實現自清潔的功能。
荷葉擁有的這種特性被稱為超疏水效能。
利用荷葉的特性製成的超疏水性自清潔玻璃：
當表面有微小突起的時候，有一些空氣會被「關到」水與固體表面之間，導致水珠大部分與空氣接觸，與固體直接接觸面積反而大大減小。由於水的表面張力作用使水滴在這種粗糙表面的形狀接近於球形，其接觸角可達150度以上，並且水珠可以很自由地在表面滾動。即使表面上有了一些髒的東西，也會被滾動的水珠帶走，由於水分子間的引力作用，水珠走過的地方不會在玻璃表面留下水痕，這樣表面就具有了「自清潔」的能力。
這種自清潔玻璃冬季有很好的防結冰作用。
自潔效能測試（曝曬實驗）
2、磷酸鈣和骨膠原人造骨骼
日本物質和材料研究機構與有關大學合作開發出新的人造骨骼．是用由骨骼的無機成分磷酸鈣和有機成份骨膠原組成的複合材料製成的．其強度與彈性均接近於真正的骨骼．把它移植到缺損部位能很快被吸收並長出新的骨骼來。在狗身上做實驗表明． 大約3個月就可以再生出新的骨骼來。這一科研成果目前僅處於動物實驗階段，尚需進行實用化研究開發， 才能達到臨床試驗水平。
3、仿生增韌陶瓷材料
陶瓷材料的脆性和如何增韌是其應用的關鍵問題之一，也一直是研究的熱點。人們提出過長纖維或晶須增韌補強、顆粒瀰散強化、相變增韌等多項強韌化措施，也取得了積極的成果，但仍沒有從本質上解決陶瓷材料的脆性問題 。
自然界中貝殼珍珠層的組成中雖然近95％是普通陶瓷caco3，但其綜合力學效能優異，特別是斷裂韌性，比單相caco3陶瓷高2～3個數量級。這說明貝殼珍珠層所具有的優異力學效能與其獨特的生物結構有密切關係。貝殼珍珠層是由文石、晶元形成增強相的層狀複合材料，佔總質量1％～5％的有機質填充於無機相之間。
層與層間的有機質具有三明治式夾心結鉤，外夾憎水的絲心蛋白質和親水的酸性蛋白質 。文石晶體與有機基質交替疊層的排列方式是抗脆斷的關鍵所在，由於有機基質層強度相對較弱，易於誘導裂紋在其中偏轉，從而阻止了裂紋的穿透擴充套件。因此，可以把珍珠層的結構抽象為軟硬相交替的多層增韌結構，正是這種結構組合賦予了貝殼珍珠層極佳的斷裂韌性。
4、我國仿生功能材料發展和困難
我國非常重視功能材料的發展，在國家攻關、「 863」、「973」、國家自然科學**等計畫中，功能材料都占有很大比例。在「九五」「十五」國防計畫中還將特種功能材料列為「國防尖端」材料。這些科技行動的實施，使我國在功能材料領域取得了豐碩的成果。
在「863」計畫支援下，開闢了超導材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫用材料、儲氫等新能源材料，金剛石薄膜，高效能固體推進劑材料，紅外隱身材料，材料設計與效能**等功能材料新領域，取得了一批接近或達到國際先進水平的研究成果，在國際上占有了一席之地。鎳氫電池、鋰離子電池的主要效能指標和生產工藝技術均達到了國外的先進水平，推動了鎳氫電池的產業化；功能陶瓷材料的研究開發取得了顯著進展，以片式電子元件為目標，我國在高效能瓷料的研究上取得了突破，並在低燒瓷料和賤金屬電極上形成了自己的特色並實現了產業化，使片式電容材料及其元件進入了世界先進行列； 高檔釹鐵硼產品的研究開發和產業化取得顯著進展，在某些成分配方和相關技術上取得了自主智財權； 功能材料還在「兩彈一星」、「四大裝備四顆星」等國防工程中作出了舉足輕重的貢獻。
世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機遇和挑戰，新技術、新專利層出不窮。發達國家企圖通過智財權的形式在特種功能材料領域形成技術壟斷，並試圖占領中國廣闊的市場，這種態勢已引起我國的高度重視。我國在新型稀土永磁、生物醫用、生態環境材料、催化材料與技術等領域加強了專利保護。
但是，我們應該看到，我國功能材料的創新性研究不夠，申報的專利數，尤其是具有原創性的國際專利數與我國的地位遠不相稱。我國功能材料在系統整合方面也存在不足，有待改進和發展。
5、仿生功能材料發展的展望
通過不斷從生物界獲得靈感，仿生材料越來越向著微觀化、智慧型化發展，由功能材料構築各種仿生微器件，並用之組裝不同結構和功能的仿生微系統是今後研究的重點，並將在軍事、工業、建築業等領域獲得廣泛應用。仿生學是諸多學科的交叉，尤其需要生物科學、材料科學、醫學、化學和工程力學等諸多學科技術專家的共同關注與參與。只有加強多學科協作，才能支援結構仿生材料的深入研究，從而推動技術創新。
仿生複合材料
仿生材料研究進展 講義 research progress of biomimetic materials 仿生學 bionics 誕生於二十世紀60年代，是bi o electr onics的組合詞，重點著眼於電子系統，研究如何模仿生物機體和感官結構及工作原理，而材料的仿生研究則由來已久。80年代...
仿生樹型 含美化材料 技術要求
1 仿生樹型綠色環保天線外型酷似樹木，遠看一般分辯不出真假，樹桿通常採用單管塔結構，饋線採用內爬式，塔體周圍用鐵絲網包圍，樹幹外層採用水泥或一些塑料粘塗，樹枝和樹葉用一些非金屬材料仿造，顏色和造型與樹木相近，天線隱藏在內。仿生樹型綠色環保天線極其強調與周圍環境和諧一致，天線一般安裝於特殊製造的外敷仿...
金屬功能材料
奈米金屬結構材料的製備方法主要有原位加壓法 球磨法 真空濺鍍法 非晶晶化法 直接淬火法等。1 原位加壓法將已製備好的奈米金屬粒子在保持新鮮表面的條件下，壓制成塊狀凝聚固體。採用原位加壓法可製備金屬 合金和非晶的奈米金屬結構材料。目前已製備的有fe cu等奈米結構材料。此方法生產的產品純度高 相對密度...