石油化工過程與裝備

1、1,,課程主要內(nèi)容,課程簡介,2,第二章 結(jié)構(gòu)仿生,,3,結(jié)構(gòu)仿生——以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ)，研究生物體不同結(jié)構(gòu)層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)的形態(tài)以獲得靈感，進(jìn)而對材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬，提高工程結(jié)構(gòu)效率。,2.1 結(jié)構(gòu)仿生簡介,什么是結(jié)構(gòu)仿生？,4,早期——模擬生物外形，隨著對自然認(rèn)識的深入和研究手段的進(jìn)步，仿生學(xué)經(jīng)歷了從功能模擬到結(jié)構(gòu)仿生再到信息仿生，從力學(xué)仿生到物理仿生再到化學(xué)仿生，從個體仿生到生態(tài)仿生再到控制仿生這樣一個逐步發(fā)

2、展的過程。,2.1 結(jié)構(gòu)仿生簡介,結(jié)構(gòu)仿生的發(fā)展,5,2.1 結(jié)構(gòu)仿生簡介,蘇聯(lián)——水生動物(如海豚)皮膚形態(tài)的研究，為艦艇設(shè)計提供仿生思路；英國——將斷裂力學(xué)應(yīng)用到生物復(fù)合材料研究，如應(yīng)用鹿角韌性機理進(jìn)行沖擊防護(hù)設(shè)計；中國——趙曉鵬等研究了短纖維增強復(fù)合材料的仿生模型，啞鈴狀纖維增強混凝土試驗表明，可使材料的抗彎強度提高20％；,結(jié)構(gòu)仿生的發(fā)展,6,研究哺乳動物骨骼截面形狀與承力性能的關(guān)系； 研究骨結(jié)構(gòu)流固耦合機理及對載荷分散的

3、影響；研究鳥類及昆蟲的飛行機理，為飛行器設(shè)計提供了重要理論依據(jù) ；結(jié)構(gòu)仿生研究已普遍運用有限元對生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析、仿真和預(yù)測,結(jié)構(gòu)仿生的發(fā)展,2.1 結(jié)構(gòu)仿生簡介,7,第二章 結(jié)構(gòu)仿生,,8,2.2 仿生材料,,9,2.2 仿生材料,天然生物材料 具有適應(yīng)其環(huán)境及功能需要的超復(fù)雜結(jié)構(gòu)組裝，其表現(xiàn)出的優(yōu)異強韌性、功能適應(yīng)性及損傷愈合能力，是傳統(tǒng)人工合成材料無法比擬的。,列如：,甲殼蟲堅硬的外殼,蜘蛛絲，比防彈背心還堅硬,10

4、,仿生材料——受生物啟發(fā)或模仿生物的各種特性而開發(fā)的材料。,2.2.1 仿生材料簡介,什么是仿生材料？,Bio-inspired,仿生材料學(xué)是涉及生物材料的組成結(jié)構(gòu)、性能與制備相互關(guān)系和規(guī)律的科學(xué)，其主要目的是在分析天然生物材料微組裝、生物功能及形成機理基礎(chǔ)上，發(fā)展新型醫(yī)用材料，以用于人體組織器官修復(fù)與替代，發(fā)展仿生高性能工程材料。,11,仿生材料的研究內(nèi)容,2.2.1 仿生材料簡介,海鰻的發(fā)電器瞬間可以發(fā)出800伏的電壓，足以電死一頭

5、大象，但是它的發(fā)電器不是金屬等導(dǎo)電器材，而是蛋白質(zhì)的分子集合體。,,12,2.2.1 仿生材料簡介,深海里有一種軟體動物，其身體由細(xì)胞材料所構(gòu)成，卻可承受很高的海水壓力而自由地生存著。,,仿生材料的研究內(nèi)容,13,仿生材料的研究內(nèi)容,研究內(nèi)容——以闡明生物體的材料構(gòu)造與形成過程為目標(biāo)，用生物材料的觀點來思考人工材料，從生物功能的角度來考慮材料的設(shè)計與制作。迄今為止該學(xué)科未開拓的領(lǐng)域和未解決的問題非常多,可以認(rèn)為仿生材料學(xué)的學(xué)科體系還沒有

6、完全形成。從仿生材料的使用場合來看可分為醫(yī)用材料、工程材料和功能器件等。從材料學(xué)的角度可以把材料仿生分為幾大方面：成分和結(jié)構(gòu)仿生、過程和加工制備仿生、功能和性能仿生。,14,2.2.1 仿生材料簡介,仿生材料前沿,人造絲早期：模仿天然纖維和人的皮膚的接觸感而制造的人造纖維。二十世紀(jì)以來,人們模仿蠶吐絲的過程研制了各種化學(xué)纖維的紡絲方法，此后又模仿生物纖維的吸濕性、透氣性等服用性能研制了許多新型纖維。另外人們還對蠶的產(chǎn)絲體進(jìn)行了卓

7、有成效的研究(日本農(nóng)業(yè)生物資源研究所) ,并且對蜘蛛絲也進(jìn)行了研究(日本島根大學(xué)) ,研究者們期待著有朝一日能夠制造出與蠶絲完全一樣的人造絲。,15,2.2.1 仿生材料簡介,呼吸材料動物有肺，能夠分離空氣中的氧氣；魚有鰓，能夠分離溶解在水中的氧氣，供給身體使用。人們仿造這種特性，制作了薄膜材料，用于制造高濃度氧氣、分離超純水等，以達(dá)到節(jié)省能源以及高分離率的目的。目前人們正在研制具有動物肺和魚鰓那樣功能的材料，如果研制成功的話，人類

8、在水底世界的活動將發(fā)生一場新的革命。,仿生材料前沿,16,2.2.1 仿生材料簡介,生物能夠高效地進(jìn)行各種能量間的轉(zhuǎn)換。隨著地球上現(xiàn)在所使用的能源逐漸枯竭，人類尋求新能源的任務(wù)已迫在眉睫，如果能夠找到象某些生物那樣能夠高效率地進(jìn)行能量變換或者能量重組的材料與方法,將為人類的未來帶來希望和光明。,仿生材料前沿,17,2.2.1 仿生材料簡介,卵的殼是石灰質(zhì)構(gòu)成的,內(nèi)部有卵白和卵黃。美國學(xué)者發(fā)表了非常有趣的假說，認(rèn)為卵的結(jié)構(gòu)無論從力學(xué)或者工

9、學(xué)的觀點來思考，都有許多值得學(xué)習(xí)的地方，人類現(xiàn)在的包裝技術(shù)與之相比相形見拙。 相信在不遠(yuǎn)的將來,通過對有機和無機復(fù)合材料形成技術(shù)的研究，不僅在包裝技術(shù)方面人們會學(xué)習(xí)和采用生物卵殼的形成方式，同時在醫(yī)學(xué)科學(xué)中也會開創(chuàng)新的領(lǐng)域。,仿生材料前沿,18,2.2.1 仿生材料簡介,水果薄膜西瓜是一種含水量極高的水果，在它的啟發(fā)下，人們研制了一種與西瓜纖維素構(gòu)造相似的超吸水性樹脂，現(xiàn)在已用于廢油的回收，既經(jīng)濟又高效。這種材料如果進(jìn)一步得到完善的話

10、，將來液體的包裝和輸送就可能用一種全新的技術(shù)來代替。比如，將來的飲料就不再是用現(xiàn)在的杯子來裝,而是只要用一片薄膜即可。,仿生材料的研究現(xiàn)狀與未來,,,,19,2.2.1 仿生材料簡介,內(nèi)視鏡用手觸摸含羞草的葉片，它就會像動物那樣收縮。在這一種啟發(fā)下，日本奧林巴斯公司的植田康弘研制了一種可以伸到小腸里的內(nèi)視鏡，他在內(nèi)視鏡的筒狀部分使用了一種與含羞草葉片表面結(jié)構(gòu)相似的彈性膜材料，它在腸道流體的壓力下，會沿著軸向自動伸長或彎曲，從而使內(nèi)視鏡

11、的筒狀部分與腸道保持同一形狀。,,,,仿生材料前沿,20,2.2 仿生材料,,21,2.2.2 天然生物材料特性,復(fù)合特性功能適應(yīng)性創(chuàng)傷愈合性多功能性,22,人們從天然生物的研究中得到啟示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、貝殼，它們雖然具有簡單的組成，但是通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)組合，賦予這些生物材料具有非常好的綜合性能。因此，在材料的設(shè)計和研究中，引入了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想 ，通過“簡單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)”的精細(xì)組合，來實現(xiàn)材料

12、的高韌性、抗破壞及使用可靠性特性。,2.2.2 天然生物材料特性,23,2.2 仿生材料,,24,2.2.3 天然生物材料結(jié)構(gòu)特種與仿生,貝殼的結(jié)構(gòu)可分為3層，最內(nèi)一層為珍珠質(zhì)層，由小平板狀的結(jié)構(gòu)單元累積而成、成層排列，組成成分是多角片型的文石結(jié)晶體。研究表明，片層之間是有機基質(zhì)珍珠層文石晶體與有機基質(zhì)交替疊層排列方式是提高韌性的關(guān)鍵所在。清華大學(xué)模仿珍珠層的兩級增韌機制，設(shè)計制備出仿珍珠層的具有較高強度和韌性的復(fù)合陶瓷。,文石,貝

13、殼和珍珠的層狀疊片結(jié)構(gòu)與仿生,25,2.2.2 成分和結(jié)構(gòu)仿生,竹子的外密內(nèi)疏和竹纖維的結(jié)構(gòu)特征及其仿生,竹干的力學(xué)性能如拉伸彎曲、壓縮強度和模量，沿徑向的分布一般是在外層高，內(nèi)層低。這種結(jié)構(gòu)與竹子主要受風(fēng)雪等引起的彎曲載荷相對應(yīng)。竹材的結(jié)構(gòu)符合以最少的材料和結(jié)構(gòu)發(fā)揮最大效能的原理。將竹干進(jìn)行拓?fù)渥儞Q，提出了仿竹優(yōu)化梁模型，其中纖維以中線面為對稱分布。這一模型以碳纖維／環(huán)氧樹脂進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明復(fù)合材料的強度提高了81%。,26,骨成

14、分仿生,骨骼是支撐人體的關(guān)鍵器官，早在公元前2000年人類就有了用金屬進(jìn)行骨修復(fù)的嘗試，進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，骨修復(fù)和替代材料逐漸拓展到高分子、陶瓷及復(fù)合材料。最簡單的骨仿生就是成分仿生。骨骼的主要構(gòu)成是以羥基磷灰石為主的磷酸鈣，骨仿生的主要思想就是制造羥基磷灰石為主的骨修復(fù)和替代材料。,2.2.3 天然生物材料結(jié)構(gòu)特征與仿生,27,浙江大學(xué)化學(xué)系唐?？嫡n題組日前運用仿生學(xué)的方法制備了一種新型有機——無機復(fù)合彈性晶體材料

15、，其物理和化學(xué)性能都逼近天然骨骼。晶體中無機單元的厚度幾乎達(dá)到了生物材料中同類晶體的最小尺度，基本實現(xiàn)了在納米尺度上類骨結(jié)構(gòu)的仿生制備。這一仿生骨相關(guān)成果發(fā)表在國際材料學(xué)頂尖刊物《Advanced Materials》上。,仿生骨,2.2.3 天然生物材料結(jié)構(gòu)特征與仿生,28,海豚是海洋中的速泳高手，這除了與海豚體型有關(guān)外，海豚皮膚的三層結(jié)構(gòu)（黑色表皮層、白色真皮層、脂肪層）形成的動態(tài)非光滑形態(tài)具有重要作用，這種動態(tài)非光滑形態(tài)使表層附近

16、的渦流層變成摩擦阻力小的層流層。模仿海豚皮膚的表面溝槽結(jié)構(gòu)所研制的仿生材料，可分別用于游泳運動員、潛水員和潛艇以減少阻力、提高速度。,材料表面形態(tài)仿生,2.2.3 天然生物材料結(jié)構(gòu)特征與仿生,29,2.2.2 成分和結(jié)構(gòu)仿生,動物骨骼啞鈴狀結(jié)構(gòu)特征及其仿生設(shè)計,動物長骨外形為中間細(xì)長兩端粗大，并圓滑過渡到中部，避免了應(yīng)力集中，有利于應(yīng)力的減緩，與肌肉相互配合使肢體持重比提高，受此啟發(fā)把短纖維設(shè)計成啞鈴狀，經(jīng)理論計算，可得到端球與纖維直徑

17、的最佳比值。實驗表明，這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料強度提高了1.4倍。,30,2.2.2 成分和結(jié)構(gòu)仿生,樹根纖維狀結(jié)構(gòu)特征及其仿生設(shè)計,土壤中的樹根和草根可以防止山坡水土流失，加固堤壩。人們對樹和草根的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了分形樹纖維模型。理論證明，這種結(jié)構(gòu)可同時提高材料的強度和韌性。對仿根狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研制。首先用焊錫將鋼單絲按預(yù)先設(shè)計的結(jié)構(gòu)焊接而得到人造纖維，將纖維以預(yù)定的分叉角固定在模中，最后將環(huán)氧樹脂倒人模中。有二級分叉纖維和無分叉纖

18、維試樣．結(jié)果表明具有分叉結(jié)構(gòu)的纖維拔出力和拔出能隨分叉角的增加而增加，且大于無分叉纖維試樣。纖維對斷裂功的貢獻(xiàn)為纖維拔出能的平均值，于是纖維的拔出能越大，纖維對復(fù)合材料斷裂韌性的貢獻(xiàn)越大。因此分形樹結(jié)構(gòu)的纖維可以提高復(fù)合材料的斷裂韌性。,31,2.2.2 成分和結(jié)構(gòu)仿生,動物的毛皮狀結(jié)構(gòu)特征及其仿生設(shè)計,動物的毛皮結(jié)構(gòu)是由毛發(fā)和表皮組成，毛發(fā)和表皮沒有明顯的過濾層，經(jīng)冷熱變化也不會產(chǎn)生分離，而較硬的毛發(fā)層以不會影響皮肉的靈活運動。動物的

19、毛皮結(jié)構(gòu)是保護(hù)動物機體抵抗自然界風(fēng)雨侵蝕和防止輻射的功能保護(hù)層。利用制備束絲纖維增強鋁復(fù)合材料工藝基礎(chǔ)制備碳化硅束絲纖維和鋁復(fù)合的仿動物毛皮結(jié)構(gòu)體。在這一復(fù)合體中碳化硅纖維不僅在鋁基體中起到增強劑的作用，而且伸出鋁表面形成了一層完整的纖維毛狀覆蓋層。由于SiC 纖維層和鋁板表層無橫向界面，所以不會因冷熱循環(huán)造成界面分離破壞。SiC 束絲纖維有著良好的抗高溫氧化能力。形成毛皮結(jié)構(gòu)后，其纖維班蓋層有良好的隔熱性能。,32,壁虎 戰(zhàn)斗機,33