一、引言

在材料科學(xué)不斷發(fā)展的進(jìn)程中，傳統(tǒng)材料在性能提升方面逐漸遭遇瓶頸。而自然界經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化，孕育出眾多具有優(yōu)異性能的生物材料，這些生物材料通過(guò)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與成分設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高韌性、輕量化以及多功能性的完美結(jié)合。仿生復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，其核心在于模仿自然界中生物材料的結(jié)構(gòu)與功能，將生物學(xué)原理與材料科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，為高性能復(fù)合材料的研發(fā)開(kāi)辟了全新的思路與方向。本文旨在對(duì)仿生復(fù)合材料領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理，涵蓋天然生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、仿生設(shè)計(jì)策略、制造方法以及工程應(yīng)用等方面，為該領(lǐng)域未來(lái)的研究與發(fā)展提供參考依據(jù)。

二、天然生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與特性

2.1 骨骼

骨骼作為人體重要的承重結(jié)構(gòu)，由膠原纖維和羥基磷灰石構(gòu)成層級(jí)結(jié)構(gòu)。在微觀層面，納米級(jí)的羥基磷灰石晶體有序地附著在膠原纖維上，形成基本的結(jié)構(gòu)單元；在宏觀層面，這些基本單元進(jìn)一步組裝成哈弗斯系統(tǒng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的層級(jí)結(jié)構(gòu)賦予骨骼優(yōu)異的抗壓和抗拉性能，使其能夠承受人體日?；顒?dòng)帶來(lái)的各種力學(xué)載荷，同時(shí)具備一定的韌性以抵御外力沖擊。

2.2 貝殼

貝殼以其著名的“磚-泥” 結(jié)構(gòu)（如珍珠層）而備受關(guān)注。在珍珠層中，無(wú)機(jī)碳酸鈣片層（“磚”）呈規(guī)則排列，厚度約為幾百納米，片層之間由幾納米厚的有機(jī)基質(zhì)（“泥”）相互粘結(jié)。這種結(jié)構(gòu)使得貝殼在受到外力作用時(shí)，能夠通過(guò)無(wú)機(jī)片層的滑移和有機(jī)基質(zhì)的變形來(lái)耗散能量，從而實(shí)現(xiàn)高韌性，有效抵御外界的沖擊和破壞。

2.3 蜘蛛絲

蜘蛛絲的優(yōu)異性能源于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，β-折疊納米晶體均勻地嵌入柔性蛋白質(zhì)基質(zhì)中。β-折疊納米晶體賦予蜘蛛絲高強(qiáng)度，使其能夠承受較大的拉力；而柔性蛋白質(zhì)基質(zhì)則提供了高延展性，使蜘蛛絲在拉伸過(guò)程中能夠發(fā)生較大的形變而不斷裂。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得蜘蛛絲兼具高強(qiáng)度和高延展性，成為自然界中性能卓越的絲狀材料。

2.4 木材

木材是由纖維素纖維與木質(zhì)素、半纖維素復(fù)合而成的天然材料。纖維素纖維作為主要的承載單元，沿木材生長(zhǎng)方向排列，賦予木材較高的縱向強(qiáng)度；木質(zhì)素和半纖維素填充在纖維素纖維之間，起到粘結(jié)和增強(qiáng)作用。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)使得木材具有顯著的各向異性，即沿纖維方向和垂直于纖維方向的力學(xué)性能差異明顯，同時(shí)具備較高的比強(qiáng)度，在建筑、家具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

表1 常見(jiàn)天然生物復(fù)合材料的力學(xué)性能與功能

三、仿生設(shè)計(jì)策略

3.1 層級(jí)結(jié)構(gòu)

層級(jí)結(jié)構(gòu)是仿生設(shè)計(jì)的重要策略之一，其靈感來(lái)源于自然界中眾多生物材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如貝殼的“磚-泥” 結(jié)構(gòu)和骨骼的哈弗斯系統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)建多級(jí)次的結(jié)構(gòu)單元，材料能夠在不同尺度上協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的優(yōu)化。在仿生復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，模仿這種層級(jí)結(jié)構(gòu)可以有效提高材料的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能。例如，在制備仿生陶瓷復(fù)合材料時(shí)，借鑒貝殼的 “磚-泥” 結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)相和有機(jī)相的比例與排列方式，可顯著提升材料的韌性。

3.2 功能梯度

功能梯度設(shè)計(jì)旨在使材料的性能在空間上呈現(xiàn)梯度變化，以適應(yīng)不同的使用需求。自然界中，魷魚(yú)喙從基部到尖端的剛度梯度就是典型的功能梯度結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得魷魚(yú)喙在捕捉獵物時(shí)，既能在基部保持一定的柔韌性以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)，又能在尖端具備足夠的硬度以刺穿獵物。在仿生復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，通過(guò)控制材料成分、結(jié)構(gòu)或微觀組織的漸變，實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等性能的梯度變化，從而滿足復(fù)雜工況下的應(yīng)用要求。

3.3 弱界面設(shè)計(jì)

弱界面設(shè)計(jì)是通過(guò)引入可控的弱界面，使材料在受力時(shí)能夠發(fā)生界面滑移，從而實(shí)現(xiàn)能量耗散，提高材料的韌性。珍珠層中無(wú)機(jī)片層與有機(jī)基質(zhì)之間的弱界面就是這一設(shè)計(jì)策略的典范。在仿生復(fù)合材料制備過(guò)程中，通過(guò)添加界面改性劑或設(shè)計(jì)特殊的界面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)類似的弱界面效果，有效改善材料的抗沖擊性能和斷裂韌性。

3.4 有機(jī)-無(wú)機(jī)協(xié)同

有機(jī)-無(wú)機(jī)協(xié)同是仿生復(fù)合材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵策略之一。自然界中，硅藻外殼通過(guò)二氧化硅與有機(jī)模板的結(jié)合，形成了具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合材料。在仿生設(shè)計(jì)中，將有機(jī)材料的柔韌性、可加工性與無(wú)機(jī)材料的高強(qiáng)度、高硬度相結(jié)合，通過(guò)控制有機(jī)-無(wú)機(jī)相的復(fù)合方式和界面相互作用，可制備出兼具多種優(yōu)異性能的復(fù)合材料，如高強(qiáng)度、高韌性、生物相容性等。

四、制造方法

如圖1所示，制造工藝主要包括雙向冷凍鑄造法、3D打印技術(shù)和自組裝技術(shù)。其中，冷凍鑄造（占22.7%）已成為主要的加工方法，這主要?dú)w因于其在構(gòu)建有效模擬自然系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)方面的多功能性。雙向冷凍鑄造是一種用于制造類珍珠層結(jié)構(gòu)層狀陶瓷-聚合物復(fù)合材料的有效方法。該方法通過(guò)在兩個(gè)方向上對(duì)懸浮液進(jìn)行冷凍，使溶劑結(jié)晶并生長(zhǎng)，形成層狀的冰晶模板。隨后，去除冰晶模板，留下具有層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。通過(guò)控制冷凍速率、懸浮液成分等參數(shù)，可以精確調(diào)控復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)和性能，制備出具有高韌性和高強(qiáng)度的仿生復(fù)合材料。

其余的制造工藝在3D打印技術(shù)、層組裝技術(shù)、化學(xué)合成和紡絲技術(shù)之間分布相對(duì)均衡（各占13.6%），這表明加工生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)多樣化且成熟。這種分布反映了仿生材料生產(chǎn)的復(fù)雜性，通常需要多種技術(shù)來(lái)復(fù)制自然界的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

從圖1中分析得出幾個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)：1. 鑄造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)表明，在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上形成受控結(jié)構(gòu)對(duì)于仿生學(xué)的成功至關(guān)重要；2. 增材制造方法的大量存在表明，人們正越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向可以復(fù)制復(fù)雜自然結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制、精確的制造技術(shù)；3. 對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的高度關(guān)注凸顯了仿生材料與醫(yī)學(xué)創(chuàng)新之間的天然協(xié)同作用，特別是在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

圖 1.用于仿生設(shè)計(jì)材料的不同制造工藝

五、工程應(yīng)用

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，仿生復(fù)合材料如仿骨支架和仿生肌腱材料，因其與天然組織相似的結(jié)構(gòu)和性能，為細(xì)胞生長(zhǎng)和肢體功能恢復(fù)提供了良好的微環(huán)境和力學(xué)支持。航空航天領(lǐng)域追求材料的輕量化和高性能，受貝殼啟發(fā)的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料被用于制造飛行器外殼，以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗沖擊性能和飛行效率。此外，魷魚(yú)喙啟發(fā)的梯度材料在柔性電子領(lǐng)域也顯示出巨大潛力，其優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能使其成為制造可穿戴設(shè)備電極和傳感器的理想選擇，從而提升設(shè)備的舒適性和可靠性。

圖2 .仿生設(shè)計(jì)材料的不同應(yīng)用

如圖2所示，應(yīng)用領(lǐng)域明顯集中在結(jié)構(gòu)（25%） 和生物醫(yī)學(xué) （21%） 領(lǐng)域，而電子、傳感器和儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域則展示了仿生方法不斷擴(kuò)大的潛力。這種多樣化表明人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到生物復(fù)合材料在解決復(fù)雜工程挑戰(zhàn)方面的多功能性。潛在的應(yīng)用涵蓋眾多領(lǐng)域。這些產(chǎn)品包括可持續(xù)建筑材料和高性能航空航天復(fù)合材料。下一代醫(yī)療植入物和節(jié)能建筑系統(tǒng)顯示出前景。這種分銷符合醫(yī)療保健和結(jié)構(gòu)應(yīng)用對(duì)仿生解決方案日益增長(zhǎng)的需求，其中受自然啟發(fā)的設(shè)計(jì)在功能和性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

六、挑戰(zhàn)與未來(lái)方向

生物材料中呈現(xiàn)出若干關(guān)鍵原則。它們展現(xiàn)了跨越多個(gè)長(zhǎng)度尺度的分層組織，巧妙地融合了硬質(zhì)和軟質(zhì)組件。這些材料具備不同材料相之間受控的界面，并輔以自我修復(fù)和自適應(yīng)功能。尤為引人注目的是，它們展現(xiàn)出高效的能量耗散機(jī)制，從而提升其耐用性和性能。各類生物材料擁有獨(dú)特的特性。海洋結(jié)構(gòu)，例如珍珠層和魷魚(yú)喙，在抗裂性和機(jī)械梯度方面表現(xiàn)卓越。植物性材料，如竹子和木材，提供可再生且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。蜘蛛絲和壁虎膠粘劑等動(dòng)物基材料具備獨(dú)特的性能組合。包括硅藻和骨片在內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力。盡管我們已有一定理解，但制造過(guò)程中仍面臨重大障礙?？茖W(xué)家們?cè)趶?fù)制復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)時(shí)遇到困難，且生產(chǎn)過(guò)程的可擴(kuò)展性有限。在不同尺度間保持一致性能是持續(xù)的挑戰(zhàn)，而不同材料間的集成問(wèn)題亦持續(xù)困擾制造過(guò)程。當(dāng)前的仿生材料存在若干性能局限。它們通常對(duì)環(huán)境敏感，在惡劣條件下易引發(fā)耐用性問(wèn)題。研究人員在復(fù)制自愈機(jī)制方面的進(jìn)展有限。此外，對(duì)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的不完全理解也阻礙了該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

未來(lái)的進(jìn)展依賴于技術(shù)革新。該領(lǐng)域亟需開(kāi)發(fā)精確的多尺度制造技術(shù)，并將增材制造與生物學(xué)原理相結(jié)合?？刂撇牧辖缑娴男路椒皬?fù)雜分層結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展生產(chǎn)技術(shù)將至關(guān)重要。展望未來(lái)，新的設(shè)計(jì)理念展現(xiàn)出廣闊前景。其中包括應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和多功能材料的開(kāi)發(fā)。智能和響應(yīng)功能的集成，以及自我修復(fù)機(jī)制的增強(qiáng)，將推動(dòng)未來(lái)的創(chuàng)新。未來(lái)的研究必須聚焦于關(guān)鍵領(lǐng)域。納米級(jí)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的研究仍至關(guān)重要。原位表征技術(shù)的進(jìn)步將促進(jìn)更深入的理解。科學(xué)家需專注于解析動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制，并將多種生物原理融合于單一材料中。生物復(fù)合結(jié)構(gòu)和仿生材料領(lǐng)域正處于關(guān)鍵交匯點(diǎn)。盡管在理解和復(fù)制自然設(shè)計(jì)原則上取得顯著進(jìn)展，但彌合天然與合成材料間的差距仍面臨重大挑戰(zhàn)。未來(lái)的成功將依托于材料科學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算建模的跨學(xué)科協(xié)作。

參考文獻(xiàn)

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