仿生复合材料结构：天然材料、制造方法与应用综述

一、引言

在材料科学不断发展的进程中，传统材料在性能提升方面逐渐遭遇瓶颈。而自然界经过漫长的进化，孕育出众多具有优异性能的生物材料，这些生物材料通过独特的结构与成分设计，实现了高强度、高韧性、轻量化以及多功能性的完美结合。仿生复合材料应运而生，其核心在于模仿自然界中生物材料的结构与功能，将生物学原理与材料科学技术相结合，为高性能复合材料的研发开辟了全新的思路与方向。本文旨在对仿生复合材料领域的研究成果进行系统梳理，涵盖天然生物复合材料的结构特点、仿生设计策略、制造方法以及工程应用等方面，为该领域未来的研究与发展提供参考依据。

二、天然生物复合材料的结构与特性

2.1 骨骼

骨骼作为人体重要的承重结构，由胶原纤维和羟基磷灰石构成层级结构。在微观层面，纳米级的羟基磷灰石晶体有序地附着在胶原纤维上，形成基本的结构单元；在宏观层面，这些基本单元进一步组装成哈弗斯系统等复杂结构。这种独特的层级结构赋予骨骼优异的抗压和抗拉性能，使其能够承受人体日常活动带来的各种力学载荷，同时具备一定的韧性以抵御外力冲击。

2.2 贝壳

贝壳以其著名的“砖-泥” 结构（如珍珠层）而备受关注。在珍珠层中，无机碳酸钙片层（“砖”）呈规则排列，厚度约为几百纳米，片层之间由几纳米厚的有机基质（“泥”）相互粘结。这种结构使得贝壳在受到外力作用时，能够通过无机片层的滑移和有机基质的变形来耗散能量，从而实现高韧性，有效抵御外界的冲击和破坏。

2.3 蜘蛛丝

蜘蛛丝的优异性能源于其独特的微观结构，β-折叠纳米晶体均匀地嵌入柔性蛋白质基质中。β-折叠纳米晶体赋予蜘蛛丝高强度，使其能够承受较大的拉力；而柔性蛋白质基质则提供了高延展性，使蜘蛛丝在拉伸过程中能够发生较大的形变而不断裂。这种结构设计使得蜘蛛丝兼具高强度和高延展性，成为自然界中性能卓越的丝状材料。

2.4 木材

木材是由纤维素纤维与木质素、半纤维素复合而成的天然材料。纤维素纤维作为主要的承载单元，沿木材生长方向排列，赋予木材较高的纵向强度；木质素和半纤维素填充在纤维素纤维之间，起到粘结和增强作用。这种复合结构使得木材具有显著的各向异性，即沿纤维方向和垂直于纤维方向的力学性能差异明显，同时具备较高的比强度，在建筑、家具等领域得到广泛应用。

表1 常见天然生物复合材料的力学性能与功能

三、仿生设计策略

3.1 层级结构

层级结构是仿生设计的重要策略之一，其灵感来源于自然界中众多生物材料的结构特点，如贝壳的“砖-泥” 结构和骨骼的哈弗斯系统。通过构建多级次的结构单元，材料能够在不同尺度上协同作用，实现力学性能的优化。在仿生复合材料设计中，模仿这种层级结构可以有效提高材料的强度、韧性和抗疲劳性能。例如，在制备仿生陶瓷复合材料时，借鉴贝壳的 “砖-泥” 结构，通过合理设计无机相和有机相的比例与排列方式，可显著提升材料的韧性。

3.2 功能梯度

功能梯度设计旨在使材料的性能在空间上呈现梯度变化，以适应不同的使用需求。自然界中，鱿鱼喙从基部到尖端的刚度梯度就是典型的功能梯度结构，这种结构使得鱿鱼喙在捕捉猎物时，既能在基部保持一定的柔韧性以适应运动，又能在尖端具备足够的硬度以刺穿猎物。在仿生复合材料设计中，通过控制材料成分、结构或微观组织的渐变，实现材料力学、热学、电学等性能的梯度变化，从而满足复杂工况下的应用要求。

3.3 弱界面设计

弱界面设计是通过引入可控的弱界面，使材料在受力时能够发生界面滑移，从而实现能量耗散，提高材料的韧性。珍珠层中无机片层与有机基质之间的弱界面就是这一设计策略的典范。在仿生复合材料制备过程中，通过添加界面改性剂或设计特殊的界面结构，可实现类似的弱界面效果，有效改善材料的抗冲击性能和断裂韧性。

3.4 有机-无机协同

有机-无机协同是仿生复合材料设计的关键策略之一。自然界中，硅藻外壳通过二氧化硅与有机模板的结合，形成了具有独特结构和功能的复合材料。在仿生设计中，将有机材料的柔韧性、可加工性与无机材料的高强度、高硬度相结合，通过控制有机-无机相的复合方式和界面相互作用，可制备出兼具多种优异性能的复合材料，如高强度、高韧性、生物相容性等。

四、制造方法

如图1所示，制造工艺主要包括双向冷冻铸造法、3D打印技术和自组装技术。其中，冷冻铸造（占22.7%）已成为主要的加工方法，这主要归因于其在构建有效模拟自然系统分层结构方面的多功能性。双向冷冻铸造是一种用于制造类珍珠层结构层状陶瓷-聚合物复合材料的有效方法。该方法通过在两个方向上对悬浮液进行冷冻，使溶剂结晶并生长，形成层状的冰晶模板。随后，去除冰晶模板，留下具有层状结构的复合材料。通过控制冷冻速率、悬浮液成分等参数，可以精确调控复合材料的层状结构和性能，制备出具有高韧性和高强度的仿生复合材料。

其余的制造工艺在3D打印技术、层组装技术、化学合成和纺丝技术之间分布相对均衡（各占13.6%），这表明加工生态系统呈现多样化且成熟。这种分布反映了仿生材料生产的复杂性，通常需要多种技术来复制自然界的复杂结构。

从图1中分析得出几个关键趋势：1. 铸造技术的优势表明，在多个长度尺度上形成受控结构对于仿生学的成功至关重要；2. 增材制造方法的大量存在表明，人们正越来越多地转向可以复制复杂自然结构的数字控制、精确的制造技术；3. 对生物医学应用的高度关注凸显了仿生材料与医学创新之间的天然协同作用，特别是在组织工程和再生医学领域。

图 1.用于仿生设计材料的不同制造工艺

五、工程应用

在生物医学领域，仿生复合材料如仿骨支架和仿生肌腱材料，因其与天然组织相似的结构和性能，为细胞生长和肢体功能恢复提供了良好的微环境和力学支持。航空航天领域追求材料的轻量化和高性能，受贝壳启发的轻质高强复合材料被用于制造飞行器外壳，以提高结构强度、抗冲击性能和飞行效率。此外，鱿鱼喙启发的梯度材料在柔性电子领域也显示出巨大潜力，其优异的力学和电学性能使其成为制造可穿戴设备电极和传感器的理想选择，从而提升设备的舒适性和可靠性。

图2 .仿生设计材料的不同应用

如图2所示，应用领域明显集中在结构（25%） 和生物医学 （21%） 领域，而电子、传感器和储能等新兴领域则展示了仿生方法不断扩大的潜力。这种多样化表明人们越来越认识到生物复合材料在解决复杂工程挑战方面的多功能性。潜在的应用涵盖众多领域。这些产品包括可持续建筑材料和高性能航空航天复合材料。下一代医疗植入物和节能建筑系统显示出前景。这种分销符合医疗保健和结构应用对仿生解决方案日益增长的需求，其中受自然启发的设计在功能和性能方面具有独特的优势。

六、挑战与未来方向

生物材料中呈现出若干关键原则。它们展现了跨越多个长度尺度的分层组织，巧妙地融合了硬质和软质组件。这些材料具备不同材料相之间受控的界面，并辅以自我修复和自适应功能。尤为引人注目的是，它们展现出高效的能量耗散机制，从而提升其耐用性和性能。各类生物材料拥有独特的特性。海洋结构，例如珍珠层和鱿鱼喙，在抗裂性和机械梯度方面表现卓越。植物性材料，如竹子和木材，提供可再生且经济高效的解决方案。蜘蛛丝和壁虎胶粘剂等动物基材料具备独特的性能组合。包括硅藻和骨片在内的特殊结构展现出卓越的结构优化能力。尽管我们已有一定理解，但制造过程中仍面临重大障碍。科学家们在复制复杂层次结构时遇到困难，且生产过程的可扩展性有限。在不同尺度间保持一致性能是持续的挑战，而不同材料间的集成问题亦持续困扰制造过程。当前的仿生材料存在若干性能局限。它们通常对环境敏感，在恶劣条件下易引发耐用性问题。研究人员在复制自愈机制方面的进展有限。此外，对结构-性能关系的不完全理解也阻碍了该领域的进一步发展。

未来的进展依赖于技术革新。该领域亟需开发精确的多尺度制造技术，并将增材制造与生物学原理相结合。控制材料界面的新方法及复杂分层结构的可扩展生产技术将至关重要。展望未来，新的设计理念展现出广阔前景。其中包括应用机器学习以实现结构优化和多功能材料的开发。智能和响应功能的集成，以及自我修复机制的增强，将推动未来的创新。未来的研究必须聚焦于关键领域。纳米级结构-性能关系的研究仍至关重要。原位表征技术的进步将促进更深入的理解。科学家需专注于解析动态适应机制，并将多种生物原理融合于单一材料中。生物复合结构和仿生材料领域正处于关键交汇点。尽管在理解和复制自然设计原则上取得显著进展，但弥合天然与合成材料间的差距仍面临重大挑战。未来的成功将依托于材料科学、生物学、工程学和计算建模的跨学科协作。

参考文献

[1] M A Shadab Siddiqui, M S Rabbi, Radif Uddin Ahmed, Fahad Alam, M A M Hossain, Shamim Ahsan, Nur Mohammad Miah,Bioinspired composite structures: A comprehensive review of natural materials, fabrication methods, and engineering applications,Composites Part C: Open Access,Volume 17,2025,100578,ISSN 2666-6820,https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2025.100578.