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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