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第1章 绪论 1

1.1 仿生学 1

1.2 天然生物材料的特点 1

1.3 仿生材料及其研究内容和方法 3

1.4 仿生材料的发展及现状 4

1.5 仿生材料发展展望 5

参考文献 6

第2章 贝壳的组织、特性及其仿生材料 8

2.1 贝壳的形态 8

2.2 贝壳对环境的自适应 9

2.3 贝壳的化学组成 10

2.3.1 元素组成 10

2.3.2 矿物组成 11

2.3.3 有机组成 11

2.3.4 有机质对生物矿化的作用 12

2.4 贝壳的组织结构及形成机理 13

2.4.1 棱柱层 13

2.4.2 珍珠层 18

2.4.3 交叉片层 24

2.5 贝壳的力学性能、断裂特征及韧化机制 26

2.5.1 力学性能 26

2.5.2 断裂特征及压痕形貌 29

2.5.3 韧化机制 31

2.6 仿贝壳材料的设计和制备 32

2.6.1 层状复合陶瓷的材料组成和结构设计 33

2.6.2 层状复合陶瓷材料的制备工艺 35

2.6.3 层状复合陶瓷的增韧机理 37

2.6.4 层状复合陶瓷材料的主要体系 37

2.6.5 微观层状仿生材料的制造与表征 48

2.6.6 仿生矿化沉积薄膜 51

2.6.7 仿贝壳材料的应用 57

参考文献 57

第3章 竹材的组织、特性及其仿生材料 60

3.1 竹子的化学组成 60

3.2 竹子的组织结构 61

3.2.1 组织构成 61

3.2.2 组织分布 62

3.3 竹子的力学性能 64

3.4 竹子的磨损性能 65

3.4.1 磨料磨损性能 66

3.4.2 滑动磨损性能 66

3.5 竹子结构的力学分析 69

3.5.1 竹秆中空结构的影响 69

3.5.2 竹秆锥形形状的影响 70

3.5.3 竹节的影响 71

3.5.4 竹纤维分布的影响 71

3.5.5 竹纤维空心螺旋形多层结构的影响 71

3.6 竹子组织结构的形成 72

3.7 竹纤维的种类、性能和制造方法 74

3.8 仿生双螺旋纤维束增强作用的理论分析 76

3.8.1 仿生模型及理论分析 76

3.8.2 仿生螺旋形纤维束模型的实验检验 77

3.9 宏观竹纤维仿生模型 77

3.10 仿生螺旋状碳纤维的制备新方法 79

3.11 仿生螺旋纤维增强复合材料 80

3.12 对竹纤维中过渡区域的仿生 81

3.13 仿竹材多孔金刚石膜 82

3.14 竹材上原位形成仿生磷酸钙涂层 84

3.15 仿竹材复合材料及其双螺旋纤维的应用 86

参考文献 87

第4章 木材的组织、特性及其仿生材料 88

4.1 木材的组织结构及形成机理 88

4.1.1 木材分类 88

4.1.2 多级组织结构与形成机制 89

4.1.3 多级孔结构特征 91

4.2 木材的化学组成和性能 92

4.2.1 木材的化学组成 92

4.2.2 木材主要性能 93

4.3 木材结构仿生材料的设计和制备 98

4.3.1 木材结构仿生材料设计思路 98

4.3.2 木材仿生材料种类、制备与表征 98

4.4 木材结构仿生材料的主要性能和应用 118

4.4.1 力学性能 118

4.4.2 电学性能 119

4.4.3 吸附、分离与催化剂载体 120

4.4.4 医用材料 121

4.4.5 耐磨材料 121

4.4.6 高温吸收器 122

参考文献 123

第5章 几种生物材料的表面特性及其仿生纳米界面材料 128

5.1 自然界中的特殊浸润性表面 128

5.1.1 荷叶表面的自清洁性 128

5.1.2 水稻叶表面的滚动各向异性 129

5.1.3 昆虫翅膀表面的多功能性 130

5.2 理论基础 131

5.2.1 接触角和Young’s方程 131

5.2.2 非理想固体表面的接触角 131

5.2.3 接触角的滞后现象 132

5.3 仿生纳米界面材料 135

5.3.1 超疏水表面的制备方法 136

5.3.2 智能纳米界面材料 141

5.4 仿生纳米界面材料的应用 148

参考文献 148

第6章 土壤动物体表特性及其仿生材料 152

6.1 土壤动物体表的减黏降阻功能 152

6.2 土壤动物的体表形态 154

6.3 土壤动物非光滑体表润湿性的理论分析 156

6.3.1 典型土壤动物非光滑体表形态 156

6.3.2 土壤动物非光滑体表的理论模型 157

6.3.3 液滴与非光滑体表之间形成非复合界面 158

6.3.4 液滴与非光滑体表之间形成复合界面 159

6.4 土壤动物体表物质的成分分析 160

6.5 仿生聚有机硅氧烷-T8钢复合涂层 162

6.5.1 复合涂层的制备 162

6.5.2 复合涂层的磨料磨损性能 163

6.5.3 复合涂层的润湿性能 163

6.5.4 复合涂层的减黏降阻性能 163

6.6 仿生Al2O3-PA1010和A12O3-EP复合涂层 164

6.6.1 复合涂层的制备 164

6.6.2 复合涂层的减黏降阻性能 165

6.6.3 复合涂层的磨料磨损性能 168

6.7 仿土壤动物体表的其他表面改性 170

6.7.1 表面改性材料 170

6.7.2 改性表面的减黏降阻性能 170

6.7.3 改性表面的耐磨性能 171

6.8 仿生减黏降阻涂层的应用 171

参考文献 172

第7章 蜘蛛丝的组织、特性及其仿生材料 173

7.1 蜘蛛丝的结构和形成机理 173

7.1.1 蜘蛛的生物学概况 173

7.1.2 蜘蛛丝的种类及其功能 174

7.1.3 蜘蛛丝的微观结构 175

7.1.4 蜘蛛丝的形成机理 179

7.2 蜘蛛丝的组成和性能 182

7.2.1 蜘蛛丝的化学组成 182

7.2.2 蜘蛛丝的力学性能 182

7.2.3 蜘蛛丝的超收缩性能 188

7.2.4 蜘蛛丝的其他性能 189

7.3 仿蜘蛛丝材料的设计和制备 193

7.3.1 蜘蛛丝蛋白的氨基酸序列 193

7.3.2 蜘蛛丝蛋白的人工合成 194

7.3.3 基因移植制备蜘蛛丝蛋白 195

7.3.4 仿蜘蛛丝材料的制备 196

7.4 仿蜘蛛丝材料的结构和性能 199

7.4.1 再生蜘蛛丝材料的结构和性能 199

7.4.2 基因工程仿蜘蛛丝材料的结构和性能 202

7.5 蜘蛛丝材料的应用 202

参考文献 203

第8章 长骨的组织结构及其仿生哑铃形碳化硅晶须和复合材料 206

8.1 骨的功能和组织结构 206

8.2 长骨的形状特征、组织结构、形成机制及作用 207

8.2.1 形状特征和组织结构 207

8.2.2 形成机制和作用 208

8.3 仿动物长骨的哑铃形增强体模型的理论分析 210

8.3.1 仿生哑铃形增强体与基体形成理想黏结时的应力分析 211

8.3.2 仿生哑铃形增强体与基体形成弱结合界面时的应力分析 213

8.4 仿生哑铃形纤维与平直纤维增强的复合材料模型及实验验证 214

8.4.1 复合材料仿生模型的理论分析 214

8.4.2 复合材料仿生模型的实验验证 215

8.5 界面性能对哑铃状短纤维增强复合材料增强效果的影响 217

8.6 碳化硅晶须的研究 218

8.6.1 碳化硅晶须的制备方法 218

8.6.2 碳化硅晶须的生长机制 219

8.6.3 碳化硅晶须的结构和形貌 219

8.7 仿生哑铃形SiC晶须的制备 220

8.7.1 添加助剂的制备方法 220

8.7.2 不加助剂的制备方法 226

8.8 仿生哑铃形SiC晶须增强聚氯乙烯（PVC）复合材料 227

8.8.1 复合材料的力学性能 227

8.8.2 复合材料的组织结构 228

8.9 仿生哑铃形增强剂的应用 228

参考文献 229

第9章 天然生物材料的损伤自愈合性能及其仿生材料 231

9.1 天然生物材料的损伤自愈合性能 231

9.2 仿生自愈合陶瓷材料 232

9.2.1 陶瓷材料裂纹自愈合机理 232

9.2.2 自愈合的影响因素 235

9.2.3 仿生自愈合陶瓷材料的应用 238

9.3 仿生自愈合聚合物材料 239

9.3.1 聚合物材料裂纹自愈合机理 239

9.3.2 仿生自愈合聚合物材料的应用 243

9.4 仿生自愈合金属材料 243

9.4.1 裂纹愈合机理 244

9.4.2 裂纹愈合影响因素 244

9.4.3 自愈合金属材料的应用 245

9.5 仿生自愈合水泥基复合材料 245

9.5.1 聚合物固化自愈合水泥基复合材料 246

9.5.2 结晶沉淀自愈合水泥基复合材料 247

9.5.3 电化学沉积自愈合水泥基复合材料 247

9.5.4 仿生自愈合水泥基复合材料的应用 249

参考文献 249

第10章 其他天然生物材料及其仿生工程材料 252

10.1 仿蜂巢结构的能量吸收材料 252

10.2 仿生分形结构金属材料 255

10.3 工程材料的仿生恢复 256

参考文献 257