陶瓷材料的仿生浅谈

      在丰富多彩的自然界中，种类繁多的生物经过亿万年的漫长进化过程和自然选择，具备了极其精确和完善的适应内外环境的能力，其许多精巧奇妙的结构与功能令人类叹为观止。仿生学的诞生以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志，在此会议上“仿生学（Bionics）”一词被美国的军事学家斯蒂尔（J. Steele）首先提出。通俗的讲，仿生学是向生物学习的科学，是人类有意识地将自然原理加以推广应用的一种思维方法。科学的讲，仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生的例子不胜枚举如：飞机的问世是来自人类对飞禽鸟类的仿生，现代飞机的垂直起降，空中定悬后掉头等诸多功能的实现也深受飞鸟和蚊虫的启发；飞蛾会使用星光导航术，人类仿此制成的天文导航导弹可以跨洲际而不受干扰等。 

      陶瓷材料和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。陶瓷材料主要由共价键与离子键键合，晶体结构复杂，因而具有耐高温、{TodayHot}耐腐蚀、耐磨损等优异性能，但是陶瓷材料的脆性问题一直制约着其进一步发展，陶瓷材料的增韧一直是研究的热点问题之一。研究人员提出纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多项强韧化措施，也取得了积极的成果，但这些措施有限，没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题。人们发现贝壳珍珠层（图1）虽然其组成的近95%是普通陶瓷碳酸钙，但其综合力学性能极佳，特别是断裂韧性，比单相碳酸钙陶瓷高2-3个数量级。研究表明珍珠层是一种天然层状的有机相增韧陶瓷基复合材料。由此得到启发，科学家们开始了贝壳珍珠层的仿生研究，用简单的成分进行复杂的结构组合，改变以前复杂成分简单结构的设计思想。陶瓷材料的这种仿生结构设计，在很大程度上能改善陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路设计。目前，国内外研究人员在此方面已经取得了许多激动人心的研究成果。  

      在陶瓷材料领域，除了仿生自然界的动物以外，还有仿生人类自己的，比较典型的如：人工骨材料。骨是一族生物矿物材料的总称，它由低密度多孔渗水组织材料组成，却有高的力学性能，人体骨骼的局部X光照片如图2所示。骨是一种复合材料，其主体骨架为胶原纤维结构，其中充填了纳米级羟基磷灰石无机晶体，因此它可看作是无机纳米材料增强的有机-无机复合材料。骨的结构外层为密质骨（皮质骨）和内部为松质骨，密质骨致密而坚硬，主要起到力学支撑作用，松质骨具有泡沫状结构，其中充满小血管和造血组织，主要起到营养的输送作用。骨的强度比以陶瓷相为主的材料高很多，有机相是增加强度的主要原因，{HotTag}骨的独特的多级结构特征使其具有高强度、高韧性等力学性能。骨的特殊结构启发研究人员通过合成纳米无机晶体以及在无机物框架中填充有机物晶片增强材料的性能，如国内外研究较多的纳米磷酸钙生物陶瓷材料、羟基磷灰石／胶原复合人工骨材料等。为了制造人造器官，生物学家按照要求制备一种特殊的生物材料“支架”，这种“支架”可以是一种可降解的生物陶瓷材料，降解后的产物对人体无害，并能提供人体细胞生长场所。生物学家将人体细胞“种”在“支架”上，并提供合适的生长因子，让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质，这就是目前研究较热的组织工程学，其也是仿生骨骼生长过程的结果。 

      材料科学技术与生物技术、信息技术和能源技术一起成为现代社会文明发展的四大支柱。从材料的角度来研究生物体的规律，进行仿生设计，为新材料的设计和制备开辟了新的途径。目前仿生学已经成为高新科技领域一门崭新学科，在众多领域得到广泛应用。各类新型的高强度陶瓷，纳米陶瓷、生物陶瓷材料、组织工程支架材料的问世，提高了人类的生活质量、安全而又丰富多采。而这些新材料的发明，都是科学家们研究仿生学获得新发现之后，从自然界的生物体中或人体自身深入认识后得到技术灵感的结果。而这一系列新材料的出现标志着一个新时代的到来！ 

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