仿生復(fù)合材料

《仿生復(fù)合材料》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《仿生復(fù)合材料（29頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 仿生材料研究進(jìn)展(講義) Research Progress of biomimetic materials 仿生學(xué)(Bionics)誕生于二十世紀(jì)60年代，是Bi(o)+(electr)onics的組合詞，重點(diǎn)著眼于 電子系統(tǒng)，研究如何模仿生物機(jī)體和感官結(jié)構(gòu)及工作原理，而材料的仿生研究則由來已久。 80年代后期，日本復(fù)合材料學(xué)會(huì)志發(fā)表了一系列關(guān)于材料仿生設(shè)計(jì)的論文 ［1］,分析了部分生 物材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)和性能，我國學(xué)者也開展了卓有成效的探索 ［2-6］。美、英等國合作在1992 年創(chuàng)辦了材料仿生學(xué)雜志 (Biomimetics) , Biomimetics意為模仿生物，

2、著重力學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方 面的仿生研究。但人們往往狹義地理解“ mimetic”含義，認(rèn)為材料仿生應(yīng)盡可能接近模仿 材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而出現(xiàn)一些不必要的爭(zhēng)議。近年來國外出現(xiàn)“ Bio-inspired ” 一詞，意為 受生物啟發(fā)而研制的材料或進(jìn)行的過程。 其含義較廣，爭(zhēng)議較少， 似更貼切，因而漸為材料 界所接受。通常把仿照生命系統(tǒng)的運(yùn)行模式和生物體材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計(jì)制造的人工材料 稱為仿生材料(Biomimetic Materials)。這是材料科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物， 這一結(jié)合衍 生出三大研究領(lǐng)域：天然生物材料，生物醫(yī)學(xué)材料(狹義仿生)和仿生工程材料(廣義仿生 —即受生物啟發(fā)而進(jìn)行的

3、材料仿生設(shè)計(jì)、制備與處理等) 。 1、 天然生物材料與生物醫(yī)學(xué)材料 天然生物材料經(jīng)過億萬年物競(jìng)天擇的進(jìn)化， 具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。通過天然生 物材料的研究，人類得到了很多啟示，開發(fā)出許多生物醫(yī)學(xué)材料和新型工程材料。 天然生物 材料的主要組成為蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)是由各種氨基酸 〈己知有20種〉組成的長(zhǎng) 鏈，改變氨基酸的種類及排列次序， 便可以合成千差萬別、性能各異的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的合 成決定于遺傳基因，即 RNA〈核糖核酸〉中每三個(gè)堿基對(duì)構(gòu)成一個(gè)密碼子，決定一種氨基 酸［7］。在現(xiàn)代遺傳工程研究中采用“基因定位突變技術(shù)” ，可以改變某些堿基對(duì)的順序和種 類，以合成所

4、需要的蛋白質(zhì)，利用 DNA技術(shù)直接“克隆”出天然生物材料己有報(bào)導(dǎo)。可見 蛋白質(zhì)有機(jī)材料不僅性能優(yōu)越， 而且易于調(diào)整和控制， 因此將會(huì)作為功能材料和結(jié)構(gòu)材料得 到應(yīng)用。目前，蛋白質(zhì)材料己在生物芯片、生物傳感器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域派上用場(chǎng) ［8］。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，被詳細(xì)研究過的生物材料迄今已超過一千多種，涉及到材料學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域， 在醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用的就有幾十種。 用以和生物系統(tǒng)結(jié)合， 以診斷、治療或替換機(jī)體中的組織、 器官或增進(jìn)其功能的材料被稱為生物醫(yī)學(xué)材料〈 Biomedical Materials〉［9］。根據(jù)材料的生物 性能，可分為生物惰性材料 (Bioinert Materials)

5、與生物活性材料(Bioactive Materials)兩大類。 前者在生物環(huán)境中能保持穩(wěn)定， 不發(fā)生或僅發(fā)生微弱化學(xué)反應(yīng)， 后者則能誘發(fā)出特殊生物反 應(yīng)，導(dǎo)致組織和材料之間形成鍵接， 或提高細(xì)胞活性、促進(jìn)新組織再生。根據(jù)材料的組成又 可分為：生物醫(yī)學(xué)金屬材料 (Biomedical Metallic Materials)，生物醫(yī)學(xué)高分子材料 (Biomedical Polymer),生物陶瓷(Biomedical Ceramics ),生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料( Biomedical Composites ), 生物衍生材料(Biologically Derived Materials)等。生物

6、醫(yī)學(xué)材料要直接與生物系統(tǒng)結(jié)合，除 應(yīng)滿足各種生物功能和理化性能要求外， 還必須具有與生物體的組織相容性， 即不對(duì)生物體 產(chǎn)生明顯的有害效應(yīng)，且不會(huì)因與生物體結(jié)合而降低自身的效能和使用壽命。 醫(yī)學(xué)臨床對(duì)所 用生物材料的基本要求包括：材料無毒，不引起生物細(xì)胞的突變和組織反應(yīng)； 與生物組織相 容性好，不引起中毒、溶血、凝血、發(fā)熱和過敏等；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液、及酶的 腐蝕和體內(nèi)生物老化；具有與天然組織相適應(yīng)的物理、力學(xué)性能等。為滿足上述要求， 生物 醫(yī)學(xué)復(fù)合材料是較佳選擇。 醫(yī)用金屬、高分子材料、生物陶瓷等均可作為生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料 的基體或增強(qiáng)體，經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕M合、 搭配，可得到大

7、量性質(zhì)各異、 滿足不同功能要求的生物 醫(yī)學(xué)復(fù)合材料。此外，生物體中絕大多數(shù)組織均可視為復(fù)合材料。 通過生物技術(shù)，把一些活 體組織、細(xì)胞和誘導(dǎo)組織再生的生長(zhǎng)因子等引入生物醫(yī)學(xué)材料， 給無生命的材料賦予生命的 活力，并使其具有藥物治療功能，成為一類新型生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料一一可吸收生物醫(yī)學(xué)復(fù)合 材料，這些材料的發(fā)展為獲得真正仿生的復(fù)合材料開辟了途徑。 2、 材料仿生與仿生工程材料 從材料學(xué)角度認(rèn)識(shí)、模仿或利用某些生物體的顯微結(jié)構(gòu)、 生化功能或生物合成過程來進(jìn) 行材料的設(shè)計(jì)、制造，以便獲得具有特殊功能或優(yōu)異性能的新材料是材料仿生的主要內(nèi)容， 也是設(shè)計(jì)制造新型復(fù)合材料的有效途徑。材料仿生包括：

8、結(jié)構(gòu)仿生、過程仿生、功能仿生、 智能仿生與綜合仿生。材料仿生的過程大致可分為三個(gè)步驟， 即仿生分析，仿生設(shè)計(jì)，仿生 制備?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于仿生分析的研究較多，而涉及仿生設(shè)計(jì)與制備的研究較少。 1、結(jié)構(gòu)仿生 天然生物材料幾乎都是復(fù)合材料， 不同物質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)、不同增強(qiáng)體形態(tài)和尺度的復(fù)合 使得天然生物材料具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一常規(guī)材料的綜合性能。 結(jié)構(gòu)仿生的目的就是研究天然生 物材料這些天然合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，并用以設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)復(fù)合材料。 1）增強(qiáng)體形態(tài)仿生：作為復(fù)合材料，增強(qiáng)體的形態(tài)、尺寸對(duì)其性能有重要影 ［10-13］。由植 物學(xué)可知，幾乎所有的植物纖維細(xì)胞都是空心的。 空心體的韌

9、性和抗彎強(qiáng)度要高于相同截面 的實(shí)心體。用CVD方法制備空心石墨纖維，其強(qiáng)度與柔韌性均明顯高于實(shí)心纖維。 竹纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖所示， 其中包含多層厚薄相間的纖維層， 每層中的微纖絲以不同 升角分布，不同層間界面內(nèi)升角逐漸變化（圖 1）,據(jù)此提出了仿生纖維雙螺旋模型 （圖2）,實(shí) 驗(yàn)證明其壓縮變形比普通纖維高 3倍以上［14-15］。文獻(xiàn)［16］高溫高壓條件下合成了竹纖維狀 Si3N4/BN陶瓷復(fù)合材料，證明其斷裂韌性和斷裂功分別超過了 24Mpa m 1/2和4000J/m2。 29 圖1竹纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu) 圖2增強(qiáng)纖維的仿生模型（a）和一 束傳統(tǒng)增強(qiáng)纖維模型（

10、b） 動(dòng)物的長(zhǎng)骨一般為中間細(xì)長(zhǎng)、兩端粗大、過渡圓滑的啞鈴形結(jié)構(gòu)，既有利于應(yīng)力的減 緩，又避免了應(yīng)力集中，與肌肉配合使肢體具有很高的持重比。模仿這種結(jié)構(gòu) ［1］,把短纖維 設(shè)計(jì)成啞鈴形，并計(jì)算出端球與纖維直徑的最佳比值， 用這種形態(tài)增強(qiáng)體制得的復(fù)合材料強(qiáng) 度提高了 1.4倍。 深扎在土壤里的樹根和草根不僅可以吸收水分和養(yǎng)料，保證草木生長(zhǎng)并樹立于風(fēng)雨中 不被吹倒或拔起，而且還可防止水土流失，加固河岸與堤壩。 模仿樹根和草根的結(jié)構(gòu)， 人們 提出了分形樹纖維模型 （圖3）。理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，具有分叉結(jié)構(gòu)的纖維拔出力和拔出功隨分 叉角的增加而增加，這種根莖分叉狀形態(tài)的增強(qiáng)體可同時(shí)提高復(fù)合材

11、料的強(qiáng)度和韌性。 甲殼的纖維片條中存在許多“釘柱”以及由“釘柱”支撐而形成的空隙 ，這樣的結(jié)構(gòu)形 式使材料既較輕而又具有較好的剛度和面內(nèi)抗剪強(qiáng)度 ，滿足了昆蟲外甲殼自然復(fù)合材料對(duì) 提高材料強(qiáng)度、剛度、減輕材料重量以及釋放或減輕材料內(nèi)應(yīng)力的要求。 在昆蟲外甲殼中的 傳感器官和傳輸物質(zhì)的管道及孔洞附近的纖維具有較高的密度及保持連續(xù)地繞過 ，這與孔 邊的高應(yīng)力場(chǎng)相適應(yīng)，當(dāng)外甲殼發(fā)生斷裂時(shí)在這些地方遇到強(qiáng)烈的抵抗而消耗大量的能量 使材料在孔洞附近具有很好的強(qiáng)度和止裂能力。 據(jù)此結(jié)構(gòu)制備的復(fù)合材料有更高的強(qiáng)度和斷 裂韌性［17］。 圖3分形樹纖維拔出模型 （a） 一級(jí)分叉纖維

12、（b）二級(jí)分叉纖維 2）增強(qiáng)體與基體組合方式仿生 a.海洋貝類殼體的層片結(jié)構(gòu)及其仿生 海洋貝類殼體可看成是一類天然陶瓷基復(fù)合材料， 其組成較為簡(jiǎn)單，由近95%以上較硬 的無機(jī)相一一碳酸鈣和少于 5%較韌的有機(jī)質(zhì)（蛋白質(zhì)、多糖）所構(gòu)成。通常碳酸鈣晶體的 強(qiáng)度及彈性模量等比一般氧化物、 碳化物晶體低，但當(dāng)碳酸鈣與有機(jī)質(zhì)構(gòu)成貝殼后， 卻具有 很強(qiáng)的抗撓曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。 尤其是斷裂韌性，明顯高于其它人造陶瓷。貝殼的性能是由 其結(jié)構(gòu)決定的，即由碳酸鈣晶體的規(guī)則取向及其與有機(jī)質(zhì)的復(fù)合排列方式所決定。 海洋貝類 殼體常見的結(jié)構(gòu)類型如圖 4所示［18］,不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的性能。鮑魚的殼體具有典

13、型的珍珠 層結(jié)構(gòu)，碳酸鈣薄片與有機(jī)質(zhì)按照“磚與泥漿”形式砌合而成。碳酸鈣為多角片狀，厚度為 微米量級(jí)：有機(jī)質(zhì)為片間薄層，厚度為納米量級(jí)。 圖4幾種常見的貝殼的微觀結(jié)構(gòu) （a）珍珠層 （b）葉片層 （c）陵柱層 （d）交叉疊層 （e）復(fù)合層片 海螺殼則為層片交叉疊合結(jié)構(gòu)， 層厚10~40wm,各層取向互成70。~90。的夾角。研究表明， 碳酸鈣晶體與有機(jī)基質(zhì)的交替疊層排列是造成裂紋偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生韌化的關(guān)鍵所在。 一般說來，珍 珠層結(jié)構(gòu)具有比交叉層片結(jié)構(gòu)更高的強(qiáng)度和斷裂能，而后者在阻止裂紋擴(kuò)展方面更具優(yōu)勢(shì)。 基于對(duì)海洋貝類殼體的結(jié)構(gòu)與性能的研究， 可抽象出一種材料模型，即硬相與韌相交替排

14、布 的多層增韌模型。根據(jù)這一模型，人們開展了仿貝殼陶瓷增韌復(fù)合材料的研究， 部分研究成 果見表1。 陶瓷（硬相） 軟相（韌相） 制備方法 性能比較（疊層與整體） B4c Al B4C/Al疊層 斷裂韌性提高30% SiC 石墨 SiC石墨疊層熱壓成型 斷裂功提高100倍 SiC Al SiC/Al疊層熱壓成型 斷裂韌性提高2~5倍 Al2O3 C纖維 Al 2O3/C纖維疊層熱壓燒結(jié) 斷裂韌性提高1.5~2倍 SiN4 C纖維 SiN4/C纖維疊層熱壓燒結(jié) 斷裂韌性提高30~50% Al2O3 芳綸增強(qiáng)樹脂 Al 2O3/樹脂熱壓成型

15、 斷裂功提高80倍 表1仿貝殼陶瓷增韌復(fù)合材料的研究成果 [4] 可見仿生增韌的結(jié)果還是非常明顯的。 金屬Al能在一定程度上鈍化裂紋尖端， 但不能有效地 阻止裂紋的穿透擴(kuò)展； 石墨層可造成裂紋在界面處偏轉(zhuǎn)， 但這種弱化界面的方法其止裂能力 是有限的；纖維、高分子材料的止裂能力優(yōu)越，有待進(jìn)一步研究。 目前，仿生增韌陶瓷的疊層尺度都在微米以上， 而實(shí)際的貝類珍珠層則是納米級(jí)的微組 裝結(jié)構(gòu)，正是這種特定的有機(jī)一無機(jī)納米級(jí)復(fù)合的精細(xì)結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)異的性能。 實(shí)際 上，納米復(fù)合材料廣泛存在于生物體 （如植物和骨質(zhì)）中，但直到80年代初才由Roy和 KOEmmeni[19]提出

16、納米復(fù)合材料（Nanocomposites）的概念。這種材料是由兩種或兩種以上的 吉布斯固相至少在一個(gè)方向以納米級(jí)尺寸 （1~l00nm）復(fù)合而成，這些固相可以是晶態(tài)、非晶 態(tài)、半晶態(tài)或者兼而有之，而且可以是有機(jī)的、無機(jī)的或兩者都有。利用層狀固體的嵌入反 應(yīng)特性來合成有機(jī)一無機(jī)納米復(fù)合材料近年來己引起人們的廣泛關(guān)注， 所獲得的納米復(fù)合材 料具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)特征和表觀協(xié)同效應(yīng)， 既表現(xiàn)出無機(jī)物優(yōu)良的強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和熱 穩(wěn)定性，又具備有機(jī)聚合物的斷裂性能、 可加工性和介電性能。 聚合物的嵌入主要有三種途 徑：?jiǎn)误w原位聚合，直接熔融嵌入及聚合物從溶液中嵌入。 這些方法的特點(diǎn)是利用某些無機(jī)

17、 物晶體組分單元的可重排性得到納米尺度的二維排列， 再通過特有的加工將眾多數(shù)量的晶層 組裝成高度有序的結(jié)構(gòu)，并分布在聚合物相中，形成性能優(yōu)異的有機(jī)一無機(jī)納米復(fù)合材料 [20] b.竹材、骨質(zhì)的外密內(nèi)疏、外硬內(nèi)韌結(jié)構(gòu)及其仿生 天然竹材是典型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 其增強(qiáng)體一一維管束（Vascular bundle）的強(qiáng)度大約 是基體的12倍，彈性模量是基體的23倍[14]。 Distance tram surtace 圖5竹莖的橫截面 在竹莖的橫截面上維管束的分布是不均勻的 圖6竹的強(qiáng)度和密度隨距 外表面距離的變化 （圖5）,外層竹青部分致密， 內(nèi)部竹肉部分逐漸 變

18、疏，內(nèi)層竹黃部分又變?yōu)榱硪环N細(xì)密的結(jié)構(gòu)， 即竹材從外表面到內(nèi)表面增強(qiáng)體呈梯度分布。 竹材橫截面強(qiáng)度與密度的分布曲線如圖 6所示。這是一種非常合理的、能提供與風(fēng)力作用下 徑向彎曲應(yīng)力相適應(yīng)的強(qiáng)度分布的優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式。 按照這種復(fù)合模式設(shè)計(jì)制備的結(jié)構(gòu)仿竹纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料，其平均彎曲強(qiáng)度比具有同樣數(shù)量纖維但均勻分布的復(fù)合材料的平均強(qiáng)度提 高了 81%~103%[21]。 動(dòng)物骨質(zhì)可稱為有機(jī)—無機(jī)納米復(fù)合材料， 有機(jī)成分為膠原纖維和少量無定形基質(zhì)， 約 占骨重的 35%；無機(jī)成分主要是控基磷灰石（ Hydroxyapatite ） ，約占骨重的 65%。電鏡下磷 灰石晶體呈細(xì)針狀，長(zhǎng)約 2

19、0~40nm ，厚約 4nm[22] 。骨質(zhì)中的膠原纖維成層狀排列，同一層中 互相平行， 相鄰兩層互成一定角度。 羥基磷灰石則排列于膠原纖維之間， 由基質(zhì)粘合在一起， 形成堅(jiān)韌強(qiáng)硬的骨板。骨多為外密內(nèi)空， 中間有骨髓。骨有松質(zhì)骨和密質(zhì)骨之分， 二者同時(shí) 存在時(shí)，疏密呈梯度變化。動(dòng)物軟骨由軟骨細(xì)胞、 軟骨基質(zhì)和膠原纖維構(gòu)成，關(guān)節(jié)軟骨的研 究表明， 軟骨細(xì)胞及纖維的尺寸、 分布由外向內(nèi)也呈明顯的梯度變化。 龜殼結(jié)構(gòu)與動(dòng)物骨質(zhì) 相似， 也分為密質(zhì)層和松質(zhì)層兩部分， 密質(zhì)層位于殼體的外側(cè)， 羥基磷灰石以柱狀晶定向排 列，中間由基質(zhì)膜相連；松質(zhì)層位于內(nèi)側(cè)，柱狀晶成束聚集、無規(guī)則分布。密質(zhì)層和松

20、質(zhì)層 二者之間無明顯界限，而是梯度漸變的 [23] 。這種逐漸過渡的復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅保證龜殼具有較 高的強(qiáng)度和斷裂韌性，而且與本體肌肉結(jié)合良好。 C.生物體非光滑表面及其仿生 生物體表面普遍存在著幾何非光滑形態(tài)， 即一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)單元隨機(jī)地或規(guī)律地分 布在生物體表各部位，結(jié)構(gòu)單元的形狀有鱗片形、凸包形、凹坑形、波紋形、剛毛形及復(fù)合 形等。仿荷葉的衣物面料，鋼板的毛化（粗化、翅化）處理等都是對(duì)生物非光滑功能表面模 仿的很好例證。汽車工業(yè)中使用的薄鋼板經(jīng)毛化處理后，變形均勻，成型性好，涂掛性好， 沖壓成型廢品率大為降低， 經(jīng)濟(jì)效益顯著。 雖然發(fā)明者可能未從仿生學(xué)角度出發(fā)， 但其效果

21、 卻與生物非光滑功能表面不謀而合。 軋制毛化鋼板的軋輾經(jīng)激光毛化處理后， 顯微組織發(fā)生 變化，可能產(chǎn)生微晶、納米晶、非晶等，耐磨性提高；表面狀態(tài)變化，凸起部支撐載荷，凹 下部?jī)?chǔ)存潤(rùn)滑劑，收集磨屑；非光滑表面還可對(duì)表面殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使表面裂紋焊合、 鈍化，成形質(zhì)量明顯提高。 2．過程仿生 生物體的組成、 結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)和功能， 而這些結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制和形成過程的研究對(duì)材 料工作者是十分重要的。 海洋貝類殼體的形成就是一個(gè)奇特的礦化過程， 如能模仿， 則可望 在常溫下合成、 制造出一些具有特殊性能的材料。 自然界生物從細(xì)菌、 微生物到動(dòng)物、 植物 的體內(nèi)均可形成礦物 [24] ，因此，

22、人們對(duì)生物礦化過程、鈣化過程的仿生研究給予了極大的 關(guān)注 [25] 。各種生物體礦物礦化過程的詳細(xì)機(jī)制尚不甚清楚，但一般認(rèn)為，生物礦化是在有 機(jī)基質(zhì)的指導(dǎo)下進(jìn)行的。 特定的生物細(xì)胞分泌特定的基質(zhì)， 而特定的基質(zhì)產(chǎn)生特定的晶體結(jié) 構(gòu)。 基質(zhì)作為一個(gè)有機(jī)高分子的模板塑造和生成礦物， 不僅使礦化過程成核定位， 而且控制 結(jié)晶的生長(zhǎng)。文獻(xiàn) [7] 認(rèn)為礦化過程大致有四個(gè)階段：有機(jī)大分子預(yù)組織形成一個(gè)有組織的 反應(yīng)環(huán)境 :無機(jī)物和有機(jī)物在界面上發(fā)生由分子識(shí)別誘導(dǎo)的析出反應(yīng)從而形成礦物相的晶 核； 無機(jī)物的定向生長(zhǎng)和遺傳控制； 無機(jī)物在細(xì)胞的參與下同有機(jī)物組裝成高級(jí)結(jié)構(gòu)。 其中 有機(jī)基質(zhì)及有機(jī)

23、—無機(jī)界面的分子識(shí)別， 在晶體的成核、 生長(zhǎng)以及微結(jié)構(gòu)的有序組裝方面起 著關(guān)鍵作用。 這里涉及到有機(jī)物的官能團(tuán)排列和無機(jī)物晶格之間的匹配、 靜電作用、 細(xì)胞的 遺傳和控制等問題，過程相當(dāng)復(fù)雜。 Gillseppe Falini [18]通過研究貝殼的有機(jī)成分 伊甲殼素、絲心蛋白及其它可溶性大分子 （糖 蛋白K^CaCO3結(jié)晶的影響，探討了各成分在礦化過程中的作用。 結(jié)果表明，CaCO3的結(jié)晶形 態(tài)總是與被提取的原貝殼晶體結(jié)構(gòu)相一致，即從文石結(jié)構(gòu)貝殼中提取的大分子，可以使 CaCO3以文石晶型結(jié)晶，對(duì)方解石亦然，當(dāng)溶液中沒有這種大分子時(shí)，則無結(jié)晶發(fā)生或只有 一些球狀晶體生成。 蛋殼的鈣

24、化過程與海洋貝類礦化過程相似， 有機(jī)質(zhì)與鈣離子的結(jié)合對(duì)結(jié) 晶及鈣化過程有重要作用， 研究認(rèn)為有機(jī)質(zhì)與鈣離子最可能的結(jié)合機(jī)制是整和作用。 有機(jī)質(zhì) 通過整和使鈣離子固定在某空間位置上而成核， CaCO3在其上沉積，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。結(jié)晶體 表面總是覆蓋著一層致密的有機(jī)高分子層，它是產(chǎn)生下層晶體的基礎(chǔ)。 利用有機(jī)大分子的模板來誘導(dǎo)和控制無機(jī)礦物的形成和生長(zhǎng)， 是人們從生物過程得到的 啟示。 某些高分子在一定條件下， 依賴分子之間的作用力而自發(fā)組裝成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定整齊的分子 聚集體的過程被稱為分子自組裝 （Self-assembly） ，該詞于 80年代初由 Sagiv[15] 首先采用。他把 載玻

25、片浸入三氯硅烷的 CC14稀溶液中，得到了一層在SiO2表面上自組裝成的單分子膜， 這可 以說是生物膜的一種仿生，它有可能在室溫下把分子一層層地從小到大裝配成材料或器件。 利用自組裝膜的極性功能端頭可以在金屬表面“礦化” ，達(dá)到材料表面改性的目的；如果把 該技術(shù)與膠體化學(xué)方法結(jié)合，則可制備出納米級(jí)的有機(jī)—無機(jī)層層相間的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 Patricia.A. [26]用CdS在聚環(huán)氧乙烷（PEO）溶液中的合成反應(yīng)來模擬生物礦化過程： CdCl2+S[Si（CH 3）2]2-CdS+2Si（CH3"Cl。其中PEO為有機(jī)相，生成的CdS為無機(jī)相，如同生物 體中有機(jī)相與無機(jī)相離子的作用一樣，形

26、成晶體復(fù)合物。在含有 CdS晶核的PEO膜上可生長(zhǎng) 出規(guī)則的CdS立方晶體，常溫下由小晶粒規(guī)則聚集而成，這與自然礦化過程極為相似。有機(jī) 高分子作為無機(jī)晶體生長(zhǎng)的中介，并決定產(chǎn)物的形態(tài)。李恒德 [24] 等用乙二胺四乙酸在鈦表 面上自組裝， 目的是在金屬鈦表面構(gòu)筑一層羥基磷灰石， 制作帶有生物活性涂層的人造關(guān)節(jié)。 Mann[27]則用高分子模板組裝方法得到了 CaCO3的高層結(jié)構(gòu)，結(jié)果與單細(xì)胞生物海藻的球殼 十分相似。Guo Yuming[28]等人通過自然礦化的理論，模仿生物礦物中丙烯酸脂鈉自我組裝 的過程，合成了 CaCO3,在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CaCO3的形成和丙烯酸脂鈉的聚合同時(shí)發(fā)生，結(jié)

27、果顯 示丙烯酸脂鈉自我組裝的過程對(duì) CaCO3的結(jié)晶和生長(zhǎng)有一個(gè)重要的影響。 目前生物礦化的研究主要集中在以下幾方面： 誘導(dǎo)分子膜作為分子模板的定向成核； 利 用超分子組裝體系合成納米材料； 微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑等。 過程仿生及生物礦化的研究使人們有希 望獲得既有確定大小、晶形和取向，又具有聲、光、電、磁等功能的特殊晶體，為進(jìn)一步合 成性能優(yōu)良的材料開辟了一個(gè)新的研究天地。 3、功能仿生 為適應(yīng)生存環(huán)境， 天然生物材料除具有一般材料的承受載荷、 耐磨防護(hù)等功能外， 還有 很多一般材料所沒有的功能，如防粘、降阻、自潔等，其中最重要的是自我調(diào)節(jié)功能。作為 有生命的器官， 生物材料能夠在一定程度上

28、調(diào)節(jié)自身的物理、 化學(xué)、 力學(xué)性質(zhì)， 具有自組織、 自適應(yīng)、自修復(fù)、自愈合、自清潔等功能。 1） 生物表皮防粘、降阻功能及其仿生 2） 自潔功能及其仿生 （荷葉—不臟衣料 ） 3） 耐磨功能及其仿生 （穿山甲鱗片、貝殼 ） 4） 生物活性功能及其仿生（短基磷灰石及涂層） 4．智能仿生 從低等生物的刺激—反應(yīng)到人類的高級(jí)智慧， 自然界生物在自身漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中獲得 了一種能力一一搜集、 分析與處理環(huán)境信息， 判斷并調(diào)整自身行為模式， 以改善其對(duì)于環(huán)境 適應(yīng)性的能力， 即所謂生物智能。 生物智能的實(shí)現(xiàn)則依賴于生物體材料的多種功能。 對(duì)這些 功能進(jìn)行模仿，人們開發(fā)了很多具有聲、光、電、

29、熱、磁等直接效應(yīng)及其轉(zhuǎn)換、偶合的功能 材料， 將這些材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合、 組裝， 就發(fā)展起來一類最先進(jìn)的仿生復(fù)合材料一一智能 復(fù)合材料。 這是一類集成有傳感、驅(qū)動(dòng)、 控制器及主體復(fù)合材料的主動(dòng)材料系統(tǒng)， 亦稱之為 智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu) （Smart or intelligent materials structure） 。除了具有承載、感知、驅(qū)動(dòng)功能 外， 還同時(shí)具有自動(dòng)控制和計(jì)算學(xué)習(xí)的功能。 其中主體復(fù)合材料類似于動(dòng)物的骨架， 作用是 賦形并承受載荷等； 智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中感受周圍環(huán)境變化的一類材料叫傳感器， 它相當(dāng)于 動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)；驅(qū)使結(jié)構(gòu)自身適應(yīng)環(huán)境變化的材料叫驅(qū)動(dòng)器，作用如同動(dòng)物的

30、肌肉一樣； 而控制器的作用則相當(dāng)于動(dòng)物的大腦。 用于制作傳感器的材料主要有光纖、 壓電材料、 電阻應(yīng)變材料、 疲勞壽命元件及半導(dǎo)體 元件等；用作驅(qū)動(dòng)器的材料包括形狀記憶合金、壓電材料、磁致伸縮材料、 電流變體及磁流 變體等； 控制器則由一些微型超大規(guī)模集成電路微處理器構(gòu)成。 常見的智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包 括： a. 自診斷、 自適應(yīng)智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu) [29] 。 用來對(duì)結(jié)構(gòu)材料的原始缺陷及使用中的應(yīng) 力應(yīng)變狀態(tài)、 損傷、 疲勞、 沖擊、 結(jié)構(gòu)連接等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)， 作出診斷、 評(píng)價(jià)并自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，提高結(jié)構(gòu)的安全性。 b. 減震、 降噪智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu) [29] 。

31、 用來抑制工程構(gòu)件在受到動(dòng)態(tài)激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的振 動(dòng)和發(fā)出的噪音，這類智能結(jié)構(gòu)可分為壓電式和形狀記憶合金兩種，將其埋入結(jié) 構(gòu)，感受振動(dòng)信號(hào)后改變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)阻尼，實(shí)現(xiàn)減震降噪，達(dá)到減緩結(jié)構(gòu)疲勞、延 長(zhǎng)使用壽命等目的。 此外還有形狀自適應(yīng)智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及智能天線復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)等。 智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有誘人的應(yīng)用前景， 己吸引了各國的研究者爭(zhēng)相研究。 美國國 防部及國家科學(xué)基金會(huì)等部門向這項(xiàng)研究提供了大量的資金。 美國陸軍正在實(shí)施旋翼飛 行器的自適應(yīng)研究， 包括減少飛行器結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)和損傷自診斷； 美國海軍科研署己 撥巨款研究采用智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)潛艇的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行主動(dòng)控制， 還提出了

32、軍用艦 船智能表層的研究； 美國空軍則規(guī)劃在 2010年飛機(jī)整體實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)智能表層結(jié)構(gòu)。 日本 也宣布將在 2010年開發(fā)出具有識(shí)別、 傳遞、 輸送與環(huán)境響應(yīng)功能的自適應(yīng)智能材料。 我 國智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究始于 90年代，現(xiàn)己引起高度重視，并有專著出版 [30] 。該領(lǐng) 域目前的研究重點(diǎn)集中在傳感、 驅(qū)動(dòng)器件的研究， 控制器的設(shè)計(jì)方法及信息處理方法的 研究， 傳感、驅(qū)動(dòng)、控制等器件與主體復(fù)合材料的偶合方式及信息傳輸方法， 以及智能 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造、修理技術(shù)等。 5） ．綜合仿生 （1）~ （ 4）中兩種以上的綜合。一般情況下結(jié)構(gòu)仿生與功能仿生是密不可分的，功能仿生 要

33、靠結(jié)構(gòu)仿生來實(shí)現(xiàn)。 三、結(jié)束語 今天，生命科學(xué)和材料科學(xué)都已取得了重大的發(fā)展，二者結(jié)合衍生出的材料仿生及仿生 材料已成為具有重大意義的研究方向。在繼續(xù)擴(kuò)大仿效對(duì)象的同時(shí)，要向更深的層次發(fā)展， 從宏觀、細(xì)觀的觀測(cè)到微觀分析探索，再回到宏觀的實(shí)踐中去，即從仿生分析、仿生設(shè)計(jì)逐 步過渡到仿生制備和工程應(yīng)用。不僅進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿生，而且重視過程仿生、功能仿生、智能仿 生和綜合仿生，努力向?qū)嶋H工程應(yīng)用方面發(fā)展。 本人在材料仿生方面的初步試驗(yàn) 1. 耐磨錳鋼 TiCp 內(nèi)生復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)與制備 天然生物材料經(jīng)過億萬年物競(jìng)天擇的進(jìn)化，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。將材料科 學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合

34、， 模仿或利用某些生物體的顯微結(jié)構(gòu)、 生化功能或生物合成過程是設(shè)計(jì) 制造新型復(fù)合材料的有效途徑。廣義地說，由若干種理化性能不同的組分材料按一定方式、 比例、 分布制成的各種人造復(fù)合材料實(shí)質(zhì)上也是對(duì)天然材料的模仿， 但這種模仿尚處于基體 與增強(qiáng)體復(fù)合體系研究的初級(jí)仿生階段。 迄今為止， 真正的復(fù)合材料仿生設(shè)計(jì)和制備尚未付 諸實(shí)踐 [1] 。 本文試圖在鋼基耐磨復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗磨功能和復(fù)合工藝過程設(shè)計(jì)中與一 些生物材料進(jìn)行仿生類比， 以便利用來自生物材料的組成、 結(jié)構(gòu)、 功能和合成過程的有用信 息，指導(dǎo)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、 復(fù)合機(jī)理、制備工藝等研究， 研制開發(fā)出性能優(yōu)異的新型耐

35、 磨復(fù)合材料。 1）生物材料結(jié)構(gòu)、性能的梯度特征與表層梯度強(qiáng)化 天然生物材料如：竹子、木材、骨頭、牙齒、貝殼等均具有簡(jiǎn)單的組成、精細(xì)的微觀構(gòu) 造和復(fù)合材料的所有特點(diǎn)，是自然界生物長(zhǎng)期演變進(jìn)化而成的高度優(yōu)化了的天然復(fù)合材料， 其綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)單一材料和人造復(fù)合材料。 從材料學(xué)角度考察這些天然生物材料的 構(gòu)造和性能可以看到， 其組成多為硬相與韌相組合， 其結(jié)構(gòu)多為外密內(nèi)疏， 其性能則多為外 硬內(nèi)韌，且密 - 疏、硬 - 韌從外向內(nèi)是梯度漸變的 [2] ， “原位自生”的增強(qiáng)體亦呈梯度分布。 這就避免了由于構(gòu)造和性能突變?cè)斐傻慕缑娼Y(jié)合差、 應(yīng)力分布不合理、 結(jié)合部位性能不匹配

36、等難以解決的問題， 同時(shí)也符合以最少的材料、 最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)發(fā)揮最大效能的原理。 從仿生 學(xué)和摩擦學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)， 可以抽象出一種新型抗磨材料， 即硬相與韌相復(fù)合， 組織與性能在斷 面上呈連續(xù)梯度變化。工作表面一側(cè)高硬度、抗磨損，而另一側(cè)高韌性、耐沖擊，其內(nèi)部合 金成分、顯微組織、 力學(xué)性能等在宏觀上是近似連續(xù)變化的。 這樣既可同時(shí)滿足高硬度、高 韌性的性能要求，又可大量節(jié)省貴重合金資源，做到“好鋼用在刀刃上” 。因此，本文對(duì)所 研究的鋼基耐磨復(fù)合材料做如下設(shè)計(jì)：選用碳化物中較硬 的TiCp作為增強(qiáng)體，通用耐磨材 料中韌性較好的奧氏體錳鋼作為基體，采用原位自生 TiCp 梯度復(fù)合工藝制備

37、。由于增強(qiáng)體 是從金屬基體中原位自生的熱力學(xué)穩(wěn)定相， 不僅尺寸均勻細(xì)小、 顆粒表面無污染、 與基體潤(rùn) 濕性好、界面結(jié)合強(qiáng)度高，而且省去了增強(qiáng)體單獨(dú)合成、處理、和彌散加入等復(fù)雜工序，更 易與工程化銜接。 2）生物自適應(yīng)功能與材料磨損表面的加工硬化 天然生物體具有反饋控制及自我調(diào)節(jié)的自適應(yīng)能力。 如動(dòng)物通過體液和神經(jīng)系統(tǒng)能夠自 動(dòng)地控制和調(diào)節(jié)自身的體溫、 血壓， 以適應(yīng)環(huán)境的變化、 保持動(dòng)態(tài)平衡； 當(dāng)機(jī)體受到損傷時(shí)， 生物體內(nèi)的內(nèi)分泌系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分泌出一定物質(zhì)進(jìn)行填充、 修復(fù)、 愈合或局部再生， 即生物材 料具有感知、信息加工（自我診斷） ，自我保護(hù)、自修復(fù)、自愈合、自清潔等功能。按

38、照物 理學(xué)中耗散結(jié)構(gòu)的理論 [3] ， 自修復(fù)、 自愈合的本質(zhì)就是一個(gè)開放體系和周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和 能量交換的自組織、 自適應(yīng)過程。 奧氏體耐磨錳鋼服役過程中的加工硬化與生物材料的這種 自適應(yīng)有一定的相似性。 磨損過程中磨粒在對(duì)材料不斷進(jìn)行沖擊、 犁皺、 顯微切削等造成損 傷的同時(shí)， 兩者亦產(chǎn)生熱能、撞擊能、變形能的交換，使材料表面產(chǎn)生加工硬化以抵抗磨粒 的磨損。關(guān)于奧氏體耐磨錳鋼加工硬化的機(jī)理至今尚無定論，最新的解釋是沖擊造成位錯(cuò)、 堆垛層錯(cuò)、馬氏體、a馬氏體的強(qiáng)化作用，或位錯(cuò)、層錯(cuò)、形變誘發(fā)馬氏體、形變攣晶和 彌散析出微細(xì)碳化物等綜合作用所致 [4] 。 其中形變誘發(fā)馬氏體的

39、相變強(qiáng)化和第二相硬質(zhì)點(diǎn)阻 礙滑移、增殖位錯(cuò)的強(qiáng)化作用已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。眾所周知，普通高錳鋼中奧氏體非常穩(wěn)定， 在強(qiáng)烈沖擊工況下亦很難發(fā)生馬氏體相變。 因此， 降低奧氏體的穩(wěn)定性， 促進(jìn)服役過程中奧 氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變對(duì)提高材料耐磨性有重要意義。對(duì) Fe - C- Mn 合金固溶處理組織圖的 研究⑼表明，降低C、Mn含量可降低奧氏體穩(wěn)定性、促進(jìn)形變誘發(fā)馬氏體的產(chǎn)生。在 Mn4? 28% C 0?3%g圍內(nèi)，隨C、Mn含量的變化鐵碳鎰合金經(jīng) 1000 c固溶處理后組織依次為 a m+A殘（雙相鎰鋼），A介（介穩(wěn)定奧氏體鎰鋼），A（穩(wěn)定奧氏體鎰鋼）和 A+（FeMn）3c（帶有碳化 物的奧氏體錳

40、鋼） 。選擇合適的基體合金成分，并于凝固過程中在耐磨一側(cè)加入一定量鈦鐵 合金使之與基體中的碳作用， 一方面生成大量彌散分布的 TiC 顆粒作為增強(qiáng)相， 另一方面降 低該處基體的含碳量使其成分進(jìn)入介穩(wěn)定奧氏體區(qū)， 服役過程中稍有沖擊， 就會(huì)誘發(fā)馬氏體 相變，使材料自身的強(qiáng)度和硬度提高。 奧氏體穩(wěn)定性越低，服役工況越惡劣，形變誘發(fā)產(chǎn) 生的馬氏體越多，材料抵抗磨損、保護(hù)自身的能力越強(qiáng)。 從這種意義上講， 所設(shè)計(jì)的復(fù)合材 料可以 “感知” 外部刺激應(yīng)力的大小， 并以形變強(qiáng)化積極響應(yīng)， 具有自我保護(hù)的自適應(yīng)能力。 3）生物礦化過程與環(huán)瀑懸鑄復(fù)合工藝 具有很高抗壓強(qiáng)度及耐磨性的海洋貝類的殼體由

41、較硬的碳酸鈣和較韌的有機(jī)基質(zhì)構(gòu) 成，其合成（礦化）過程一般被認(rèn)為是在基質(zhì)指導(dǎo)下進(jìn)行的，基質(zhì)作為“模板”使礦化過程 定位形核， 并控制碳酸鈣的結(jié)晶生長(zhǎng)方式及生長(zhǎng)速度， 特定的基質(zhì)產(chǎn)生特定的晶體結(jié)構(gòu)。 基 質(zhì)的合成又是在細(xì)胞的指導(dǎo)下進(jìn)行的， 特定的細(xì)胞分泌特定的基質(zhì)。 而細(xì)胞的分裂又受空于 基因，即生物體結(jié)構(gòu)的成形屬于一種基因生長(zhǎng)型 [6] 。在各種基因控制下，細(xì)胞并行分裂發(fā)育 生長(zhǎng)出各種結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出遺傳和變異。與上述過程類比設(shè)計(jì)了一種環(huán)瀑懸鑄梯度復(fù)合工藝。 生成TiCp增強(qiáng)體的鈦鐵顆粒作為“攜帶某種基因的細(xì)胞” ，在鋼凝固過程中彌散加入，并隨 充型凝固過程的進(jìn)行不斷改變其加入量。進(jìn)

42、入鋼液的鈦鐵顆粒在高溫作用下熔化、 “分裂” ， 與鋼中的碳、氮等生成化合物， 彌散分布于鋼液中。一方面， 鈦鐵顆粒作為微型冷鐵吸收熱 量，加快結(jié)晶速度，使鋼液降溫、增粘、保持調(diào)配出的成分梯度，并與固 / 液界面交互作用， 影響晶體生長(zhǎng)方式及其形態(tài)。另一方面， Ti 與鋼中的 C 發(fā)生冶金反應(yīng)生成的 TiC 可作為奧 氏體結(jié)晶的異質(zhì)核心或形核基底，細(xì)化晶粒， 產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。同時(shí)，加入的鈦鐵 顆粒本身的狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料基體的形成有遺傳效應(yīng)， 加入的數(shù)量亦可間接控制材料的凝固速 度。對(duì)于奧氏體耐磨錳鋼來說， TiC 在凝固過程中的生成，要消耗鋼中的碳，從而阻止 MC3 型晶界

43、碳化物的形成，大大改善其鑄態(tài)沖擊韌性。 現(xiàn)有的 TiCp 增強(qiáng)鋼、鐵基復(fù)合材料制備工藝都是通過一個(gè)配制好適當(dāng)成分的、能析出 TiC 顆粒的 Fe-C-Ti 合金熔體的凝固來制備，即 Ti 是在合金熔煉過程中加入的，其優(yōu)點(diǎn)是 可獲得大體積分?jǐn)?shù)的 TiCp 增強(qiáng)相。但同時(shí)也帶來一些難以解決的問題：由于是熔煉過程中 加入， Ti 的燒損嚴(yán)重，熔體粘度高、流動(dòng)性差、充型困難，因此要提高熔化溫度，不僅浪 費(fèi)能源而且進(jìn)一步增加 Ti 的燒損。生成的 TiC 長(zhǎng)大時(shí)間長(zhǎng)、顆粒粗大，影響強(qiáng)化效果、降 低材料性能。且只能整體復(fù)合、 成本較高，難以在近期實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。 而新工藝直接選取通 用工程材料

44、作基體，大部分 Ti 在合金充型凝固過程中彌散加入，解決了熔體粘度高、充型 困難、 TiC 顆粒粗大等難題，并可進(jìn)行表層梯度強(qiáng)化或局部強(qiáng)化，易于實(shí)現(xiàn)工程化。其缺點(diǎn) 是 TiCp 的體積分?jǐn)?shù)不可過高，否則易產(chǎn)生鑄造缺陷。 4）新型復(fù)合材料的組織與性能 2.瞬態(tài)高能量非平衡仿生處理模具鋼熱疲勞恢復(fù)及損傷愈合 一、研究的目的、意義和成果的預(yù)計(jì)去向 疲勞失效是工程構(gòu)件最主要的破壞形式之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效約有 80%為疲 勞損傷 [1,2] 。隨著工業(yè)化規(guī)模的迅速擴(kuò)大，服役于高溫的材料應(yīng)用范圍也越來越大，且變溫 邊界向更高上限和更低下限溫度發(fā)展， 由此造成零件和結(jié)構(gòu)由交變溫度及循

45、環(huán)載荷造成的熱 疲勞或熱機(jī)械疲勞破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重。 我國每年由各種疲勞失效所造成的損失達(dá)數(shù)億元， 損 失是十分驚人的。 金屬材料疲勞損傷的微觀機(jī)制非常復(fù)雜， 多少年來， 人們都在致力于疲勞 損傷行為和失效機(jī)理的研究， 并通過調(diào)整材料的化學(xué)成分、 改進(jìn)制造工藝和零件結(jié)構(gòu)等方法 來改善其微觀組織和受力狀態(tài)、 提高力學(xué)性能、 減緩和阻止疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展， 以延長(zhǎng) 零件的使用壽命。 如果說材料的疲勞損傷意味著失效， 則其疲勞恢復(fù)及損傷愈合將導(dǎo)致復(fù)效， 但迄今為止， 對(duì)材料疲勞損傷失效的相反過程—材料的疲勞恢復(fù)、 損傷愈合的復(fù)效過程卻研究甚少。 從材 料仿生學(xué)的角度來看， 生命體是一

46、個(gè)具有耗散結(jié)構(gòu)的開放體系， 其疲勞或損傷能夠通過從外 界補(bǔ)充能量和物質(zhì)， 經(jīng)過自組織過程而修復(fù)或再生， 因而壽命可比無補(bǔ)充時(shí)成千百倍地延長(zhǎng)。 工程材料雖無生命可言， 但其承受載荷、 遭受損傷時(shí)也可看成是與外界有能量交換的開放體 系， 當(dāng)其中疲勞產(chǎn)生的微觀缺陷還沒有聚集到產(chǎn)生裂紋時(shí)就輸入適當(dāng)?shù)哪芰浚?進(jìn)行仿生處理， 既不損壞正常結(jié)構(gòu)， 又可使疲勞部位馳豫恢復(fù)， 損傷部位重組修復(fù)， 以達(dá)到控制材料失效或 延長(zhǎng)部件使用壽命的目的。對(duì)比生物機(jī)體損傷愈合模式和金屬材料疲勞時(shí)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性， 可知其物理本質(zhì)都是一開放體系和周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換并進(jìn)行自組織的過程。 這一 共同的物理過程使

47、我們有可能通過適當(dāng)處理來實(shí)現(xiàn)金屬材料的疲勞恢復(fù)和損傷愈合。 本研究的目的就是從廣義的過程仿生原理出發(fā)， 以熱作模具鋼的熱疲勞或熱機(jī)械疲勞損 傷恢復(fù)為研究對(duì)象， 采用瞬態(tài)高能量仿生處理來消除疲勞， 修復(fù)損傷， 探討超短時(shí)高能量電 脈沖作用下固體金屬材料中引發(fā)的一系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過程及其伴生現(xiàn)象和局部組織演變規(guī)律， 優(yōu)化處理 建立相關(guān)的理論體系和結(jié)構(gòu)模型， 深入研究材料疲勞恢復(fù)和損傷愈合的作用機(jī)制， 工藝，為大幅度提高模具的使用壽命提供新的理論依據(jù)和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用技術(shù)。 模具是機(jī)械制造業(yè)最重要的工藝裝備，由于型腔復(fù)雜，加工困難、耗能費(fèi)時(shí)，因此價(jià) 格昂貴，有“黑色黃金”之稱。我國

48、每年消耗模具數(shù)萬噸，價(jià)值數(shù)億元。熱作模具中由于熱 機(jī)疲勞而導(dǎo)致失效者占模具失效總量的 60－ 70 ％ [3] ， 是模具失效報(bào)廢的主要原因之一。 因此， 本研究直接面向模具行業(yè)，擬在模具疲勞失效之前，施以有效的處理， 使疲勞者恢復(fù)， 損傷 者愈合，正常者改進(jìn)，從而成倍地提高模具的使用壽命。 本研究如獲成功， 將在模具制造和 使用企業(yè)之間建立起“生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)” ，在模具制造、使用、失效、復(fù)效和再生等整個(gè)材料 循環(huán)周期中節(jié)省資源和能源、 減少污染、 促進(jìn)模具行業(yè)的綠色生態(tài)制造、 回用和可持續(xù)發(fā)展， 具有重大的科學(xué)理論價(jià)值與國民經(jīng)濟(jì)意義。 二、研究課題所涉及的科學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)外達(dá)到的水

49、平，存在的主要問題；本課題的學(xué)術(shù)思 想、理論根據(jù)、主攻關(guān)鍵及獨(dú)到之處。 1 ．所涉及的科學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)外達(dá)到的水平 本研究課題涉及材料、物理、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、電磁學(xué)、仿生學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域，是一 個(gè)多學(xué)科交叉、具有重大科學(xué)理論意義和技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的研究領(lǐng)域。 由于疲勞損傷造成工程構(gòu)件失效的普遍性和嚴(yán)重性， 金屬材料疲勞損傷行為和失效機(jī)理 的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。 與材料壽命相關(guān)的熱應(yīng)力分析、 力學(xué)行為、 疲勞損傷的微觀 機(jī)制及疲勞壽命預(yù)測(cè)等已有大量的研究報(bào)道， 并取得了很好效果 [4] 。但這些研究多注重于材 料疲勞損傷失效中裂紋的萌生與擴(kuò)展及材料力學(xué)性能的提高， 對(duì)材料疲勞損傷

50、失效的相反過 程——材料的疲勞恢復(fù)、 損傷愈合的復(fù)效過程卻研究較少。 已見報(bào)道的材料損傷愈合方法主 要包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)處理 [5] ，中途加熱回火 [6] 等，后者效果較好，但需長(zhǎng)時(shí)間加熱，耗能費(fèi)時(shí)， 且有可能損害材料其它性能，有一定局限性。 1963 年蘇聯(lián)學(xué)者 O.A.Troitskii 和 V.I.Likhtman 報(bào)導(dǎo)了電流能夠改變金屬晶體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的遷移率， 隨后他們研究發(fā)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行電脈沖處 理可產(chǎn)生電塑性效應(yīng)， 有利于提高材料疲勞壽命 [7.8] 。 美國學(xué)者 H. Conrad 等[9]和賴祖涵等 [10] 發(fā)現(xiàn)脈沖電流處理有利于提高多晶銅的疲勞壽命， 降低沿晶斷裂傾

51、向， 并探討了電流處理對(duì) 固態(tài)相變的影響 [11] 。周本濂等研究發(fā)現(xiàn)脈沖電流處理可改善鋁箔的強(qiáng)度和塑性，阻滯鈦合 金裂紋擴(kuò)展，使碳鋼中疲勞損傷恢復(fù)等 [12-14] 。脈沖電流在材料電致塑性、裂紋愈合、晶粒細(xì) 化和非晶晶化等方面的研究均有報(bào)道 [15-18] 。 上述研究為材料的疲勞恢復(fù)及損傷愈合提供了一 個(gè)有效途徑——瞬態(tài)高能量非平衡仿生處理。 目前利用脈沖電流提高材料疲勞壽命的研究多 集中在損傷的修復(fù)、 愈合方面， 主要是利用脈沖電流產(chǎn)生的瞬態(tài)能量使裂紋尖端鈍化止裂或 使裂紋愈合，在這個(gè)領(lǐng)域中國科學(xué)院金屬材料研究所、燕山大學(xué)、 南京航天航空大學(xué)、 中國 科學(xué)院材料物理中心、

52、吉林大學(xué)等做了較多研究工作 [19~35] ，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但上述 研究均處于微小樣品試驗(yàn)探索階段， 根本機(jī)制還有待于深入系統(tǒng)地研究； 而直接針對(duì)工程構(gòu) 件中未發(fā)生明顯損傷的疲勞組織的機(jī)能恢復(fù)、進(jìn)而提高其使用壽命方面的研究尚鮮見報(bào)道。 2．存在的主要問題 金屬材料疲勞損傷的微觀機(jī)制非常復(fù)雜， 而由載荷及溫度循環(huán)疊加造成的熱疲勞或熱機(jī) 械疲勞損傷機(jī)制則更為復(fù)雜。 國內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要集中在材料室溫機(jī)械疲勞裂紋鈍化、 止 裂與損傷愈合方面， 對(duì)瞬態(tài)高能量電脈沖作用下固體金屬材料中引發(fā)的一系列瞬時(shí)非平衡動(dòng) 態(tài)過程及其伴生現(xiàn)象和局部組織演變規(guī)律均缺乏深刻的了解， 相關(guān)的理論體系和結(jié)

53、構(gòu)模型尚 需建立和完善。瞬態(tài)過程可能產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)，磁壓縮效應(yīng)，集膚效應(yīng)，收縮膨脹效應(yīng)， 電子風(fēng)沖擊和電遷移效應(yīng)以及這些效應(yīng)綜合作用產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、 高壓、 輸運(yùn)過程等如何影 響材料的位錯(cuò)組態(tài)、 應(yīng)力分布、 組織回復(fù)、 再結(jié)晶以及損傷部位的組織變化等作用機(jī)制和變 化規(guī)律均不清楚。 申請(qǐng)者在前期的研究工作中還發(fā)現(xiàn)， 不同工藝參數(shù)的電脈沖處理 （脈沖電 壓、電流密度、脈沖電流的脈寬和作用時(shí)間等)對(duì)熱作模具鋼熱疲勞壽命的影響有所不同， 處理得當(dāng)將使材料的疲勞壽命成倍提高， 若處理不當(dāng)則無任何效果， 甚至?xí)龠M(jìn)熱疲勞裂紋 的萌生與擴(kuò)展， 使壽命降低。 因此處理工藝參數(shù)的選取原則和優(yōu)化方法

54、也是急需解決的重要 問題。 3．本課題的學(xué)術(shù)思想、理論根據(jù) 一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)通過與外界交換能量和物質(zhì)，在外界條件變化達(dá)到一定閾值 時(shí)，能從原來無序狀態(tài)變成時(shí)間、空間、 功能的有序狀態(tài)，這種非平衡條件下通過自組織過 程形成的新的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)。生命體在運(yùn)動(dòng)中消耗、補(bǔ)充和發(fā)育，其疲勞與休息、 損傷與愈合都表現(xiàn)出開放體系耗散結(jié)構(gòu)自我調(diào)節(jié)自我修復(fù)的種種特征。 與此類比， 無生命的 工程材料在其承受載荷、遭受損傷時(shí)也發(fā)生了與外界的能量與物質(zhì)的交換，并以晶格畸變、 位錯(cuò)滑動(dòng)和攀移、 回復(fù)與再結(jié)晶、 局部相變或塑性變形等來進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。 疲勞損傷是在循 環(huán)載荷作用下材料內(nèi)部的能

55、量非平衡升高、 細(xì)微結(jié)構(gòu)的劣化及各種缺陷的積累， 裂紋的萌生 則是大量位錯(cuò)缺陷產(chǎn)生和塞積， 造成應(yīng)力集中的結(jié)果。 當(dāng)其中疲勞產(chǎn)生的微觀缺陷還沒有聚 集到產(chǎn)生裂紋時(shí)， 體系處于一種非平衡的不穩(wěn)定狀態(tài)。 根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論， 以適當(dāng)方式輸入 達(dá)到一定閾值的能量，進(jìn)行仿生處理，既不損壞正常結(jié)構(gòu)，又可使疲勞部位馳豫恢復(fù)， 損傷 部位重組修復(fù)， 即可達(dá)到控制材料失效或延長(zhǎng)部件使用壽命的目的。 材料的電導(dǎo)率具有強(qiáng)烈 的結(jié)構(gòu)敏感性。 當(dāng)金屬材料內(nèi)部發(fā)生微小的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生缺陷時(shí)， 由于局部電阻率增大和繞 流作用， 脈沖電流將迅速阻止并消除這種轉(zhuǎn)變， 同時(shí)對(duì)正常組織影響很小， 體現(xiàn)出一種自動(dòng) 選擇、

56、 智能化修復(fù)的特征。 這種疲勞恢復(fù)、 損傷愈合的驅(qū)動(dòng)力正是來自瞬態(tài)高能量電脈沖非 平衡處理過程中產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)、 磁壓縮效應(yīng)、 集膚效應(yīng)、 收縮膨脹效應(yīng)、電子風(fēng)沖擊和 電遷移效應(yīng)以及這些效應(yīng)綜合作用產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓、輸運(yùn)過程等。 4．本課題的主攻關(guān)鍵 1) 超短時(shí)高能量電脈沖作用下固體金屬材料中一系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)非平衡過程及其伴生 現(xiàn)象的表述，瞬態(tài)高溫、高壓、電遷移等綜合效應(yīng)對(duì)熱疲勞組織中熱量、動(dòng)量、質(zhì) 量傳輸過程的影響規(guī)律； 2) 在脈沖電流瞬時(shí)作用下熱疲勞未失效組織中位錯(cuò)組態(tài)、應(yīng)力分布、回復(fù)與再結(jié)晶等 變化規(guī)律，不同電脈沖處理參數(shù)對(duì)模具鋼熱疲勞過程中裂紋萌生、擴(kuò)展與形態(tài)演

57、變 的影響規(guī)律及其作用機(jī)制，材料疲勞恢復(fù)的本質(zhì)； 3) 脈沖電流瞬時(shí)作用時(shí)損傷部位或裂紋尖端溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化關(guān)系、 裂紋愈合過 程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件，脈沖電流促使裂紋鈍化止裂和損傷愈合的作用機(jī)制以及 非平衡處理引起的微區(qū)相變、局部失效組織演變規(guī)律； 4) 脈沖電流對(duì)模具鋼正常與非正常微觀組織和力學(xué)性能的影響，相關(guān)理論體系、結(jié)構(gòu) 模型的建立和熱疲勞損傷程度的物理表征，動(dòng)態(tài)過程模擬，脈沖電流作為瞬態(tài)能量 輸入促使所選模具鋼材料熱疲勞恢復(fù)和損傷愈合的臨界閾值的計(jì)算， 工藝參數(shù)的優(yōu) 化以及材料組織結(jié)構(gòu)種類、熱疲勞損傷程度與脈沖能量補(bǔ)給三者之間關(guān)系的建立。 5．本研究的獨(dú)到之處 1

58、) 從廣義的過程仿生原理出發(fā)，以熱作模具鋼的熱疲勞或熱機(jī)械疲勞損傷恢復(fù)為研究對(duì) 象， 采用瞬態(tài)高能量非平衡仿生處理來實(shí)現(xiàn)材料疲勞失效的相反過程——材料的疲勞恢 復(fù)及損傷愈合； 2) 建立新的理論體系和結(jié)構(gòu)模型， 重點(diǎn)研究超短時(shí)高能量電脈沖作用下固體金屬材料中引 發(fā)的一系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過程及其伴生現(xiàn)象和局部組織演變規(guī)律，揭示瞬態(tài)高溫、高壓、電 遷移等綜合效應(yīng)對(duì)熱疲勞組織中熱量、動(dòng)量、質(zhì)量傳輸過程的影響規(guī)律和不同類型材料 疲勞恢復(fù)、損傷愈合過程中呈現(xiàn)的共性規(guī)律 ； 3）通過學(xué)科交叉、動(dòng)態(tài)模擬等建立熱疲勞損傷過程、損傷程度及疲勞恢復(fù)、損傷愈合過程 和程度的物理表征方法，研究超短時(shí)瞬態(tài)加熱金

59、屬材料中的非平衡固態(tài)相變動(dòng)態(tài)回復(fù)、 再結(jié)晶、裂紋愈合等過程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件以及非平衡處理引起的位錯(cuò)組態(tài)、應(yīng)力 分布變化、微區(qū)相變、局部失效組織演變、疲勞恢復(fù)、裂紋鈍化、愈合等作用機(jī)制； 確定瞬時(shí)高能量電脈沖處理工藝參數(shù)的選取原則和優(yōu)化方法， 優(yōu)化處理工藝，為大幅度提 高模具的使用壽命提供新的理論依據(jù)和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用技術(shù)。 十大仿生技術(shù)：新干線列軍模仿鳥喙 據(jù)美國《心理絨毛》雜志報(bào)道，從古至今，人類一直在從大自然吸取靈感。維可牢尼 龍搭扣即是研究人員受野薊鉤刺啟發(fā)開發(fā)出來的， 而第一代道路反射鏡也是模仿貓眼結(jié)構(gòu)制 造的。今天，模仿大自然的科學(xué)（即生體模仿學(xué)）已成為一個(gè)產(chǎn)值

60、達(dá)十億美元的行業(yè)。 以下是 我們?nèi)祟悘膭?dòng)物王國“偷學(xué)”的十大技術(shù)。 1 .塑料涂層（偷學(xué)對(duì)象：鯊魚） 基于鯊魚皮開發(fā)出的一種塑料涂層，目前正在醫(yī)院患者接觸頻率最高的一些地方進(jìn)行 實(shí)驗(yàn) 細(xì)菌感染恐怕是最令醫(yī)院頭疼的一件事，無論醫(yī)生和護(hù)士洗手的頻率有多高，他們?nèi)? 不斷將細(xì)菌和病毒從一個(gè)患者傳到另一個(gè)患者身上， 盡管不是故意的。事實(shí)上，美國每年有 多達(dá)10萬人死于他們?cè)卺t(yī)院感染的細(xì)菌疾病。但是，鯊魚卻可以讓自己的身體長(zhǎng)久保持清 潔一一長(zhǎng)達(dá)一億多年。 如今，正是由于鯊魚這一特性， 細(xì)菌感染可能會(huì)重蹈恐龍的覆轍一一 從地球上徹底消失。 與其他大型海洋動(dòng)物不同，鯊魚身體不會(huì)積聚黏液

61、、水藻和藤壺。這一現(xiàn)象給工程師 托尼?布倫南（Tony Brennan）帶來了無窮靈感，在 2003年最早了解到鯊魚的特性以后，他 多年來一直在嘗試為美國海軍艦艇設(shè)計(jì)更能有效預(yù)防藤壺的涂層。 在對(duì)鯊魚皮展開進(jìn)一步研 究以后，他發(fā)現(xiàn)鯊魚整個(gè)身體覆蓋著一層層凹凸不平的小鱗甲， 就像是一層由小牙織成的毯 子。黏液、水藻在鯊魚身上失去了立足之地， 而這樣一來，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣 的細(xì)菌也就沒有了棲身之所。 一家叫Sharklet的公司對(duì)布倫南的研究很感興趣， 開始探索如何用鯊魚皮開發(fā)一種排 斥細(xì)菌的涂層材料。 今天，該公司基于鯊魚皮開發(fā)出一種塑料涂層， 目前正在醫(yī)院患者接觸 頻

62、率最高的一些地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 比如開關(guān)、監(jiān)控器和把手。迄今為止， 這種技術(shù)看上去確實(shí) 可以趕走細(xì)菌。Sharklet公司還有更宏偉的目標(biāo)：下一步是開發(fā)一種可以消除另一個(gè)常見 感染源一一尿液管一一的塑料涂層。 2 .音波手杖(偷學(xué)對(duì)象：蝙蝠) 音波手杖 這聽上去就像一個(gè)糟糕玩笑的開頭：一位大腦專家、一位生物學(xué)家和一位工程師走進(jìn) 了同一家餐廳。然而，這種事情確實(shí)發(fā)生在英國利茲大學(xué)， 幾個(gè)不同領(lǐng)域的專家的突發(fā)奇想 最終導(dǎo)致音波手杖(Ultracane)的問世：這是一種盲人用的手杖，在靠近物體時(shí)會(huì)振動(dòng)。這 種手杖采用了回聲定位技術(shù)， 而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統(tǒng)去感知周圍環(huán)境。 音波

63、手杖能 以每秒6萬個(gè)的速度發(fā)送超聲波脈沖，并等待它們返回。 當(dāng)一些超聲波脈沖回來的時(shí)間超過別的超聲波脈沖時(shí)，這表明附近有物體，引起手杖 產(chǎn)生震動(dòng)。利用這種技術(shù)，音波手杖不僅可以“看到”地面物體，如垃圾桶和消防栓，還能 感受到頭頂?shù)氖挛铮热鐦滂?。由于音波手杖的信息輸出和反饋都不?huì)發(fā)出聲音， 使用者依 舊能聽到周圍發(fā)生的事情。 盡管音波手杖并未出現(xiàn)顧客排隊(duì)購買的熱賣景象， 但美國和新西 蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術(shù)，開發(fā)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品。 3 .新干線列車（偷學(xué)對(duì)象：翠鳥） 日本的高速列車都具有長(zhǎng)長(zhǎng)的像鳥喙一樣的車頭，令其相對(duì)安靜地離開隧道。 日本第一列新干線列車在

64、 1964年建造出來的時(shí)候，它的速度達(dá)到每小時(shí) 120英里（約 合每小時(shí)193公里）。但是，如此快的速度卻有一個(gè)不利方面，列車駛出隧道時(shí)總會(huì)發(fā)出震 耳欲聾的噪音，乘客抱怨說有一種火車擠到一起的感覺。這時(shí)，日本工程師中津英治 （Eiji Nakatsu）介入了這件事。中津英治還是一位鳥類愛好者，他發(fā)現(xiàn)新干線列車總在不斷推擠前 面的空氣，形成了一堵“風(fēng)墻”。 當(dāng)這堵墻同隧道外面的空氣相碰撞時(shí)，便產(chǎn)生了震耳欲聾的響聲，這本身對(duì)列車施加 了巨大的壓力。中津英治在對(duì)這個(gè)問題仔細(xì)分析之后， 意識(shí)到新干線必須要像跳水運(yùn)動(dòng)員入 水一樣“穿透”隧道。為了獲取靈感，他開始研究善于俯沖的鳥類一一翠鳥的行為

65、。翠鳥生 活在河流湖泊附近高高的枝頭上， 經(jīng)常俯沖入水捕魚，它們的喙外形像刀子一樣， 瞬間穿越 空氣，從水面穿過時(shí)幾乎不產(chǎn)生一點(diǎn)漣漪。 中津英治對(duì)不同外形的新干線列車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)迄今最能穿透那堵風(fēng)墻的外形幾 乎同翠鳥的喙外形一樣。 現(xiàn)在，日本的高速列車都具有長(zhǎng)長(zhǎng)的像鳥喙一樣的車頭， 令其相對(duì) 安靜地離開隧道。事實(shí)上，外形經(jīng)過改進(jìn)的新干線列車的速度比以前快 10%能效高出15% 4 .風(fēng)扇葉片（偷學(xué)對(duì)象：駝背鯨） 美國賓夕法尼亞大學(xué)西切斯特分校流體動(dòng)力學(xué)專家、 海洋生物學(xué)家弗蘭克?費(fèi)什（Frank Fish）教授表示，他從海洋深處找到了解決當(dāng)前世界能源危機(jī)的辦法。費(fèi)什注意到，駝

66、背鯨 的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務(wù)。 駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起， 它們 在水下可以令鯨魚輕松在海洋中游動(dòng)。 但是，根據(jù)流體力學(xué)原則， 這些隆起應(yīng)該會(huì)是鰭的累 贅，但現(xiàn)實(shí)中卻幫助鯨魚游動(dòng)自如。 于是，費(fèi)什決定對(duì)此展開調(diào)查。他將一個(gè) 12英尺(約合3.65米)長(zhǎng)的鰭狀肢模型放入 風(fēng)洞，看它挑戰(zhàn)我們對(duì)物理學(xué)的理解。這些名為結(jié)節(jié)的隆起使得鰭狀肢更符合空氣動(dòng)力學(xué)原 理。費(fèi)什發(fā)現(xiàn)，它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經(jīng)過的空氣分成不同部分， 就像是刷毛 穿過空氣一樣。費(fèi)什的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在叫做“結(jié)節(jié)效應(yīng)” (tubercle effect) ,不僅能用于各種水 下航行器，還應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的葉片和機(jī)翼。 根據(jù)這項(xiàng)研究，費(fèi)什為風(fēng)扇設(shè)計(jì)出邊緣有隆起的葉片，令其空氣動(dòng)力學(xué)效率比標(biāo)準(zhǔn)設(shè) 計(jì)提升20%右。他還成立了一家公司專門生產(chǎn)這種葉片， 不久將開始申請(qǐng)使用其節(jié)能技術(shù)， 用以改善全世界工廠和辦公大樓的風(fēng)扇性能。費(fèi)什技術(shù)的更大用途則是用于風(fēng)能。他認(rèn)為， 在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片增加一些隆起， 將使風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性變革， 令風(fēng)力的價(jià)值比以 前任何時(shí)候都重要。 5 .在水面行走