仿生復(fù)合材料

1、仿生材料研究進(jìn)展(講義)ResearchProgressofbiomimeticmaterials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(lái)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(guó)學(xué)者也開(kāi)展了卓有成效的探索2-6。美、英等國(guó)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，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“mi

2、metic”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(lái)國(guó)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(guò)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(BiomimeticMaterials)。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)行的材料仿生設(shè)計(jì)、制備與處理等)。一、天然生物材料與生物醫(yī)學(xué)材料天然生物材料經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年物競(jìng)天擇的進(jìn)化，

3、具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。通過(guò)天然生物材料的研究，人類得到了很多啟示，開(kāi)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(wàn)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(jiàn)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。

4、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(guò)的生物材料迄今已超過(guò)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BiomedicalMaterials。根據(jù)材料的生物性能，可分為生物惰性材料(BioinertMaterials)與生物活性材料(BioactiveMaterials)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

5、料的組成又可分為：生物醫(yī)學(xué)金屬材料(BiomedicalMetallicMaterials)，生物醫(yī)學(xué)高分子材料(BiomedicalPolymer)，生物陶瓷(BiomedicalCeramics)，生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料(BiomedicalComposites)，生物衍生材料(BiologicallyDerivedMaterials)等。生物醫(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(wú)毒，不引起生物細(xì)胞的突變和組織反

6、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(guò)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(guò)適當(dāng)?shù)慕M合、搭配，可得到大量性質(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(guò)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(wú)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

7、正仿生的復(fù)合材料開(kāi)辟了途徑。二、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(guò)程來(lái)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：結(jié)構(gòu)仿生、過(guò)程仿生、功能仿生、智能仿生與綜合仿生。材料仿生的過(guò)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(guò)單一常規(guī)材料的綜合性能。結(jié)構(gòu)仿生的目的就是

8、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?？招捏w的韌性和抗彎強(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l）,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SiN/BN陶瓷復(fù)合材料，證明其斷裂韌

9、性和斷裂功分別超過(guò)了24Mpa34m1/2和4000J/m2。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（b）動(dòng)物的長(zhǎng)骨一般為中間細(xì)長(zhǎng)、兩端粗大、過(guò)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(shù)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(shù)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(shù)根和草根的結(jié)構(gòu)，人們提出了分形樹(shù)纖維模型（圖3）。理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，具有分叉結(jié)

10、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(chóng)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(chóng)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(guò),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(shù)纖維

11、拔出模型（a）級(jí)分叉纖維（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(wú)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(jiàn)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(yú)的殼體具有典型的珍珠層結(jié)構(gòu)，碳酸鈣薄

12、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(jiàn)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1040um，各層取向互成7090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(shuō)來(lái)，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)?；趯?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布的多層增韌模型。根據(jù)這一模型，人們開(kāi)展了仿貝殼陶瓷增韌復(fù)合材料的研究，部分研

13、究成果見(jiàn)表1。表1仿貝殼陶瓷增韌復(fù)合材料的研究成果4陶瓷相）（硬軟相（韌相）制備方法性能比較（疊層與整體）BC4AlBC/Al疊層4斷裂韌性提高30%SiC石墨SiC石墨疊層熱壓成斷裂功提高100倍型SiCAlSiC/Al疊層熱壓成斷裂韌性提高25型倍AlO23C纖維AlO/C纖維疊層熱23斷裂韌性提高壓燒結(jié)1.52倍SiN4C纖維SiN/C纖維疊層熱壓4斷裂韌性提高燒結(jié)3050%AlO23芳綸增強(qiáng)樹(shù)AlO/樹(shù)脂熱壓成型23斷裂功提高80倍脂可見(jiàn)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

14、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)無(wú)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K0Emmenii9提出納米復(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(1l00nm)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(wú)機(jī)的或兩者都有。利用層狀固體的嵌入反應(yīng)特性來(lái)合成有機(jī)無(wú)機(jī)納米復(fù)合材

15、料近年來(lái)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(wú)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(wú)機(jī)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(guò)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)無(wú)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Distancefromsunace.mm(Vasc

16、ularbundle)的強(qiáng)度大約是基體的12倍，彈性模量是基體的23倍14。圖5竹莖的橫截面圖6竹的強(qiáng)度和密度隨距外表面距離的變化在竹莖的橫截面上維管束的分布是不均勻的(圖5)，外層竹青部分致密，內(nèi)部竹肉部分逐漸變疏，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(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，有機(jī)成

17、分為膠原纖維和少量無(wú)定形基質(zhì)，約占骨重的35%；無(wú)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2040nm，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)，

18、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(wú)規(guī)則分布。密質(zhì)層和松質(zhì)層二者之間無(wú)明顯界限，而是梯度漸變的23。這種逐漸過(guò)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)

19、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(guò)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(guò)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(guò)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，人們對(duì)生

20、物礦化過(guò)程、鈣化過(guò)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(guò)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)?；|(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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)機(jī)物的定向生長(zhǎng)和遺傳控制；無(wú)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)無(wú)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)

21、鍵作用。這里涉及到有機(jī)物的官能團(tuán)排列和無(wú)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(wèn)題，過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。GillseppeFalinii8通過(guò)研究貝殼的有機(jī)成分B-甲殼素、絲心蛋白及其它可溶性大分子(糖蛋白)對(duì)CaC0結(jié)晶的影響，探討了各成3分在礦化過(guò)程中的作用。結(jié)果表明，CaCO的結(jié)晶形態(tài)總是與被提取3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CaCO以文石晶型結(jié)晶，對(duì)方解石亦然，當(dāng)溶液中沒(méi)有這種大分子3時(shí)，則無(wú)結(jié)晶發(fā)生或只有一些球狀晶體生成。蛋殼的鈣化過(guò)程與海洋貝類礦化過(guò)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(guò)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

22、整和作用。有機(jī)質(zhì)通過(guò)整和使鈣離子固定在某空間位置上而成核，CaCO在其上沉積,3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(lái)誘導(dǎo)和控制無(wú)機(jī)礦物的形成和生長(zhǎng)，是人們從生物過(guò)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(guò)程被稱為分子自組裝(Self-assembly)，該詞于80年代初由Sagiv15首先采用。他把載玻片浸入三氯硅烷的CCl稀溶液中，得到了一層在SiO表面上42自組裝成的單分子膜，這可以說(shuō)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

23、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(wú)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(lái)模擬生物礦化過(guò)程：CdCl+SSi(CH)-2322CdS+2Si(CH)Clo其中PEO為有機(jī)相，生成的CdS為無(wú)機(jī)相，如同生物32體中有機(jī)相與無(wú)機(jī)相離子的作用一樣，形成晶體復(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(guò)程極為相似。有機(jī)高分子作為無(wú)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

24、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)。Mannm則用高分子模板組裝方法得到了CaCO的3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。GuoYuming28等人通過(guò)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(guò)程，合成了CaCO，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CaCO的形成和丙烯酸脂鈉的聚合同33時(shí)發(fā)生，結(jié)果顯示丙烯酸脂鈉自我組裝的過(guò)程對(duì)CaCO的結(jié)晶和生長(zhǎng)3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(guò)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

25、，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(kāi)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(méi)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。生物表皮防粘、降阻功能及其仿生自潔功能及其仿生(荷葉不臟衣料)耐磨功能及其仿生(穿山甲鱗片、貝殼)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(guò)程中獲得

26、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(kāi)發(fā)了很多具有聲、光、電、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(lái)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)(Smartorintelligentmaterialsstrueture)。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

27、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(jiàn)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(lái)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

28、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。用來(lái)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(guó)的研究者爭(zhēng)相研究。美國(guó)國(guó)防部及國(guó)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(guó)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(guó)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

29、聲進(jìn)行主動(dòng)控制，還提出了軍用艦船智能表層的研究；美國(guó)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(kāi)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(guó)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，功能仿生要靠結(jié)構(gòu)仿生來(lái)實(shí)現(xiàn)。三、結(jié)束語(yǔ)今天，生命科學(xué)和材料科學(xué)都已

30、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(guò)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(guò)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TiC內(nèi)生復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)與制備p天然生物材料經(jīng)過(guò)億萬(wàn)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，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(guò)程是設(shè)計(jì)制造新型復(fù)合材料的有效途徑。廣義地說(shuō)，由若

31、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(guò)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(lái)自生物材料的組成、結(jié)構(gòu)、功能和合成過(guò)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(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的新型耐磨復(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

32、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(guò)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)合部位性能不匹配等難以解決的問(wèn)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

33、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TiC作為增強(qiáng)體，通用耐磨材料p中韌性較好的奧氏體錳鋼作為基體，采用原位自生TiC梯度復(fù)合工藝p制備。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(wú)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

34、。如動(dòng)物通過(guò)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(kāi)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(guò)程。奧氏體耐磨錳鋼服役過(guò)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(guò)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

35、。關(guān)于奧氏體耐磨錳鋼加工硬化的機(jī)理至今尚無(wú)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、形變孿晶和彌散析出微細(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(guò)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Mn428%,C03%范圍內(nèi)，隨C、Mn含量的變化鐵

36、碳錳合金經(jīng)1000C固溶處理后組織依次為a+A（雙相錳鋼），A（介穩(wěn)定奧氏體錳鋼），M殘介A（穩(wěn)定奧氏體錳鋼）和A+（FeMn）C（帶有碳化物的奧氏體錳鋼）。選擇3合適的基體合金成分，并于凝固過(guò)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(guò)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

37、有自我保護(hù)的自適應(yīng)能力。3）生物礦化過(guò)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(guò)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(guò)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)?；|(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(guò)程類比設(shè)計(jì)了一種環(huán)瀑懸鑄梯度復(fù)合工藝。生成TiC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(guò)p程中

38、彌散加入，并隨充型凝固過(guò)程的進(jìn)行不斷改變其加入量。進(jìn)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(lái)說(shuō)，TiC在凝固過(guò)程中的生成，要消耗鋼中的碳，從而阻止MC型晶界碳化物的形成

39、，大大3改善其鑄態(tài)沖擊韌性?，F(xiàn)有的TiC增強(qiáng)鋼、鐵基復(fù)合材料制備工藝都是通過(guò)一個(gè)配制好p適當(dāng)成分的、能析出TiC顆粒的Fe-C-Ti合金熔體的凝固來(lái)制備，即Ti是在合金熔煉過(guò)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(lái)一些難以解決的問(wèn)題：由于是熔煉過(guò)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作基體，大部分Ti在合金充型凝固過(guò)程中彌散加入，解決了熔體粘度高、充型困

40、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TiC的體積分?jǐn)?shù)不可過(guò)高，否p則易產(chǎn)生鑄造缺陷。4）新型復(fù)合材料的組織與性能瞬態(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(lái)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(guó)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

41、機(jī)制非常復(fù)雜，多少年來(lái)，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(guò)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(lái)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(shuō)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(guò)程材料的疲勞恢復(fù)、損傷愈合的復(fù)效過(guò)程卻研究甚少。從材料仿生學(xué)的角度來(lái)看，生命體是一個(gè)具有耗散結(jié)構(gòu)的開(kāi)放體系，其疲勞或損傷能夠通過(guò)從外界補(bǔ)充能量和物質(zhì)，經(jīng)過(guò)自組織過(guò)程而修復(fù)或再生，因而壽命可比無(wú)補(bǔ)充時(shí)成千百倍地延長(zhǎng)。工程材料雖無(wú)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

42、能量交換的開(kāi)放體系，當(dāng)其中疲勞產(chǎn)生的微觀缺陷還沒(méi)有聚集到產(chǎn)生裂紋時(shí)就輸入適當(dāng)?shù)哪芰浚M(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(kāi)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(guò)程。這一共同的物理過(guò)程使我們有可能通過(guò)適當(dāng)處理來(lái)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(guò)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(lái)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

43、系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程及其伴生現(xiàn)象和局部組織演變規(guī)律，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，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)。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(guó)每年消耗模具數(shù)萬(wàn)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60703，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

44、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(guó)民經(jīng)濟(jì)意義。二、研究課題所涉及的科學(xué)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外達(dá)到的水平，存在的主要問(wèn)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(guó)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

45、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)材料疲勞損傷失效的相反過(guò)程材料的疲勞恢復(fù)、損傷愈合的復(fù)效過(guò)程卻研究較少。已見(jiàn)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，中途加熱回火口期。美國(guó)學(xué)者H.Conrad等和賴祖涵等發(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

46、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(guó)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(guó)科學(xué)院材料物理中心、吉林大學(xué)等做了較多研究工作1935，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(jiàn)報(bào)道。2存在的主要問(wèn)題金屬材料疲勞損傷的

47、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(guó)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(guò)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)構(gòu)模型尚需建立和完善。瞬態(tài)過(guò)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(guò)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

48、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(wú)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)化方法也是急需解決的重要問(wèn)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(kāi)放系統(tǒng)通過(guò)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(lái)無(wú)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(guò)自組織過(guò)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(kāi)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(wú)

49、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(lái)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(méi)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

50、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、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(lái)自瞬態(tài)高能量電脈沖非平衡處理過(guò)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(guò)程等。4本課題的主攻關(guān)鍵超短時(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(guò)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(guò)程的影響規(guī)律；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)

51、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(guò)程中裂紋萌生、擴(kuò)展與形態(tài)演變的影響規(guī)律及其作用機(jī)制，材料疲勞恢復(fù)的本質(zhì)；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(guò)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；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(guò)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。

52、5本研究的獨(dú)到之處從廣義的過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)材料疲勞失效的相反過(guò)程材料的疲勞恢復(fù)及損傷愈合；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(guò)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(guò)程的影響規(guī)律和不同類型材料疲勞恢復(fù)、損傷愈合過(guò)程中呈現(xiàn)的共性規(guī)律；通過(guò)學(xué)科交叉、動(dòng)態(tài)模擬等建立熱疲勞損傷過(guò)程、損傷程度及疲勞恢復(fù)、損傷愈合過(guò)程和程度的物理表征方法，研究超短時(shí)瞬態(tài)加熱金屬材料中的非平衡固態(tài)相變動(dòng)態(tài)回復(fù)、再

53、結(jié)晶、裂紋愈合等過(guò)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)。據(jù)美國(guó)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(kāi)發(fā)出來(lái)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)值達(dá)十億美元的行業(yè)。以下是我們?nèi)祟悘膭?dòng)物王國(guó)“偷學(xué)”的十大技術(shù)。1.塑料涂層（偷學(xué)對(duì)象：鯊魚(yú)）基于鯊魚(yú)皮開(kāi)

54、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(wú)論醫(yī)生和護(hù)士洗手的頻率有多高，他們?nèi)圆粩鄬⒓?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(guó)每年有多達(dá)10萬(wàn)人死于他們?cè)卺t(yī)院感染的細(xì)菌疾病。但是，鯊魚(yú)卻可以讓自己的身體長(zhǎng)久保持清潔長(zhǎng)達(dá)一億多年。如今，正是由于鯊魚(yú)這一特性，細(xì)菌感染可能會(huì)重蹈恐龍的覆轍從地球上徹底消失。與其他大型海洋動(dòng)物不同，鯊魚(yú)身體不會(huì)積聚黏液、水藻和藤壺。這一現(xiàn)象給工程師托尼布倫南（TonyBrennan）帶來(lái)了無(wú)窮靈感，在2003年最早了解到鯊魚(yú)的特性以后，他多年來(lái)一直在嘗試為美國(guó)海軍艦艇設(shè)計(jì)更能有效預(yù)

55、防藤壺的涂層。在對(duì)鯊魚(yú)皮展開(kāi)進(jìn)一步研究以后，他發(fā)現(xiàn)鯊魚(yú)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(yú)身上失去了立足之地，而這樣一來(lái)，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣的細(xì)菌也就沒(méi)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(kāi)始探索如何用鯊魚(yú)皮開(kāi)發(fā)一種排斥細(xì)菌的涂層材料。今天，該公司基于鯊魚(yú)皮開(kāi)發(fā)出一種塑料涂層，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)，比如開(kāi)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(kāi)發(fā)一種可以消除另一個(gè)常見(jiàn)感染源尿液管的塑料涂層。2.音波手杖(偷學(xué)對(duì)象：蝙

56、蝠)音波手杖這聽(tīng)上去就像一個(gè)糟糕玩笑的開(kāi)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(guó)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(wèn)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(jué)系統(tǒng)去感知周圍環(huán)境。音波手杖能以每秒6萬(wàn)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(lái)的時(shí)間超過(guò)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?，比如?shù)杈。由于音波手杖的信息輸出和反饋都不

57、會(huì)發(fā)出聲音，使用者依舊能聽(tīng)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(gòu)買的熱賣景象，但美國(guó)和新西蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品。新干線列車（偷學(xué)對(duì)象：翠鳥(niǎo)）日本的高速列車都具有長(zhǎng)長(zhǎng)的像鳥(niǎo)喙一樣的車頭，令其相對(duì)安靜地離開(kāi)隧道。日本第一列新干線列車在1964年建造出來(lái)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(shuō)有一種火車擠到一起的感覺(jué)。這時(shí)，日本工程師中津英治（EjiNakatsu）介入了這件事。中津英治還是一位鳥(niǎo)類愛(ài)好者，他發(fā)現(xiàn)新干線列車總在不斷推擠前面的空氣，形

58、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(wèn)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(kāi)始研究善于俯沖的鳥(niǎo)類翠鳥(niǎo)的行為。翠鳥(niǎo)生活在河流湖泊附近高高的枝頭上，經(jīng)常俯沖入水捕魚(yú)，它們的喙外形像刀子一樣，瞬間穿越空氣，從水面穿過(guò)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(niǎo)的喙外形一樣?，F(xiàn)在，日本的高速列車都具有長(zhǎng)長(zhǎng)的像鳥(niǎo)喙一樣的車頭，令其相對(duì)安靜地離開(kāi)隧道。事實(shí)上，外形經(jīng)過(guò)改進(jìn)的新干線列車的速度比以前快10%，能效高出1

59、5%。風(fēng)扇葉片(偷學(xué)對(duì)象：駝背鯨)美國(guó)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(FrankFish)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?cè)谒驴梢粤铞L魚(yú)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(yú)游動(dòng)自如。于是，費(fèi)什決定對(duì)此展開(kāi)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(guò)

60、的空氣分成不同部分，就像是刷毛穿過(guò)空氣一樣。費(fèi)什的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在叫做“結(jié)節(jié)效應(yīng)”(tubercleeffect)，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%左右。他還成立了一家公司專門生產(chǎn)這種葉片，不久將開(kāi)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。在水面行走的機(jī)器人(偷學(xué)對(duì)象：蛇怪蜥蜴)蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”