1. 研究目的与意义（文献综述）

结构材料是主要用于承受载荷的一种材料，也是各类材料中最早为人类所认识和利用的材料。数百万年前，以开始使用工具为标志，人类迈开了进化的脚步。从木头、动物骨骼和石头，到学会烧制陶器，再到学会加工第一种金属材料——青铜，随后又学会了加工烙点较高的铁。工业化进程开启后，现代炼钢厂于十七世纪首先在欧洲出现。短短两百年后，得益于化学的发展，人类开始利用人工聚合物材料。进入二十世纪，两次世界大战及随后人类科技爆炸式发展，催生出无数新型结构材料，例如铅合金、特种陶瓷、生物玻璃、碳纤维。我们可以说，人类早期的历史就是以结构材料的进步为里程碑而划分的。近现代史上，虽然其他种类的材料大大丰富，但结构材料的生产依旧牢牢占据主导地位，钢铁产量仍是工业的主要指标；尽管当前科学界很大一部分目光放在诸如光电、热电、超导等材料上，对新型结构材料的研发却从未停止。

生物经过长时间的动力学自组装过程，各个组分之间按照最佳的结构和组合方式组装，最终形成特有的复合结构，来适应复杂多变的环境要求。某种意义上来说自组装产物的缺陷程度最低，结构和功能达到了理想状态^[1]。它们由无机和有机部分组成，在不同的尺寸上有着复杂的排列组合，该种结构的材料成功的将轻质量，高强度，高韧性以及很好的硬度等性质结合在一起^[2-7]。仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料^[8]。仿生材料最大的特点是适应性和自愈合能力，它在强度、刚性与韧性等许多综合性能上都可以达到最佳。石墨烯包含了一层排列成蜂窝状的碳原子，受益于送种特殊的六角形单原子层结构，石墨稀表现出了很独特的性质，这些性质包含了高的杨氏模量^[9]，卓越的热量^[10]，传导异乎寻常的电导能力^[11]和大的比表面值^[12]。可以用于制作仿生材料的构件，使仿生材料的力学性能大大增强。

目前，很多学者都致力于仿贝壳珍珠层、仿牙齿或者其他生物体结构的材料制备，力求找到一种合适的方法制备出与生物体结构材料性能一致或者更为优异的材料。比如，studart^[13-14]研究小组将柔性生物高聚糖与具有高强度的陶瓷板相互交错成层得到优异力学性能的仿贝壳状复合材料。finnemore等^[15]报道了在玻璃衬底上通过lbl的方法交替沉积paa和聚4-乙烯基吡啶（poly（4-vinyl pyridine),p4vp）层，然后通过碱性溶液除去paa，得到了多孔的p4vp薄膜，最后在这层约400纳米的聚合物多孔框架上进行矿化，得到了结构和珍珠层类似的人工珍珠层材料。仿生结构材料因其具有特殊的微观结构而有着非常优异的力学性质，然而其制备却面临着诸多困难，最主要的原因是生物结构材料通常具有跨越多个尺度的多级有序复合结构^[16]。这种复杂结构使得材料的人工合成困难重重。目前为止，人们对结构较为简单的贝壳的仿生制备己有一些初步的结果。这些结果多数都集中在薄膜材料领域，并且对结构的控制并不十分理想^[17-19]，为了解决这些问题，需要对生物结构材料进行系统的研究及总结现有制备仿生结构材料的方法与不足。基于以上总结，本文设计出采用层层自组装方法，制备以tio₂为基体，壳聚糖作为有机物，蚕丝蛋白为填充物，利用氧化石墨烯和几丁质纤维之间的相互作用以提高外加负载力在薄膜内部的转播和分散，以此达到増强机械性能，制备出与牙齿具有相同或更优力学强度的仿牙齿状结构材料。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：以钛酸四正丁酯为原料，制备tio₂，作为基体；以石墨为原料，制备氧化石墨烯；以壳聚糖为原料，经过乙酰化后可得几丁质；蚕丝蛋白可从蚕茧中提纯。

材料表征：对tio₂/壳聚糖/氧化石墨烯/tio₂仿生结构材料进行结构表征和力学测试，通过xrd、tg、tem、sem、xps、红外光谱等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析，并用纳米压痕法进行力学测试，以做系统评估。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－9周：按照设计方案，制备不同成分及含量的有机-无机复合结构材料。

第10－11周：采用纳米压痕法进行力学及机械性能的测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]邢丽，张复实，向军辉，等．自组装技术及其研究进展[j]．世界科技研究与发展，2007，29(3)：39—44．

[2]barthelatf,tang h,zavattier;p d,et al.on the mechanics of mother-of-pearl:a key featurein the material hierarchical structure[j].journal of the mechanicesamp;physics of solids,2007,55(2):306-337.

[3]currey jd.mechanical properties of mather of pearl in tension[j].proceedings of theroyal society of london b biological science,1977,196(1125):443-463.