【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】生物體是由材料組成的，力學(xué)性能是材料的基本性能指標(biāo)。不斷提高力學(xué)性能使其更好地滿足實際應(yīng)用需求是天然與人造材料發(fā)展的共同目標(biāo)，同時也是它們面臨的共性難題。在長期的自然選擇與進(jìn)化過程中，天然生物材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能均得到了持續(xù)優(yōu)化，使得生物體實現(xiàn)了對其生存環(huán)境的適應(yīng)，甚至達(dá)到巧奪天工的效果。大自然不僅是天才的材料設(shè)計師，而且是人類的良師。從材料學(xué)與力學(xué)的角度揭示自然界中典型生物材料的組織結(jié)構(gòu)以及賦予其優(yōu)異性能的關(guān)鍵機(jī)理，提煉天然與人造材料共性的優(yōu)化設(shè)計原則，能夠為高性能人造材料的開發(fā)提供寶貴的啟示。
 

 

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室項目研究員劉增乾和研究員張哲峰與美國加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)河濱分校、加州大學(xué)圣地亞哥分校、普渡大學(xué)等單位開展合作，在前期對多種典型生物材料的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與損傷機(jī)制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提煉出了若干天然與人造材料性能優(yōu)化設(shè)計的共性原則，主要包括：梯度結(jié)構(gòu)取向效應(yīng)、原位結(jié)構(gòu)再取向效應(yīng)和多級“縫合”界面效應(yīng)。他們揭示了以上設(shè)計原則的內(nèi)在力學(xué)原理，并進(jìn)一步提出了一系列新的力學(xué)理論，為新型高性能仿生材料的設(shè)計與研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
 

　　梯度結(jié)構(gòu)取向效應(yīng)：針對不同生物材料宏觀外形與微觀組織結(jié)構(gòu)的取向變化，他們提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度(Gradient Structural Orientation)的概念與設(shè)計原則，從材料力學(xué)的角度建立了梯度組織結(jié)構(gòu)取向與剛度、強(qiáng)度、斷裂韌性之間的系列定量關(guān)系，例如楊氏模量與取向角度之間具有如下定量關(guān)系。
 

　　在此基礎(chǔ)上，他們闡明了梯度結(jié)構(gòu)取向效應(yīng)實現(xiàn)性能優(yōu)化的力學(xué)原理，提煉了改善材料抵抗接觸損傷能力的仿生設(shè)計新思路。研究表明：隨著微觀組織結(jié)構(gòu)取向逐漸偏離所受外力的方向，材料的剛度和強(qiáng)度從表面到內(nèi)部逐漸降低，而斷裂韌性隨著裂紋越來越偏離其容易擴(kuò)展的I型應(yīng)力面而逐漸增大，從而達(dá)到了表面剛強(qiáng)而內(nèi)部柔韌的效果，有效減輕了接觸應(yīng)力對材料造成的損傷。
 

　　原位結(jié)構(gòu)再取向效應(yīng)：針對天然生物材料的各向異性組織結(jié)構(gòu)，他們提出了生物材料通過原位結(jié)構(gòu)再取向(Adaptive Structural Reorientation)實現(xiàn)力學(xué)性能全面優(yōu)化的策略與設(shè)計原則。研究發(fā)現(xiàn)：自然界中的木材、魚鱗、骨骼等不同生物材料的微觀組織結(jié)構(gòu)在拉伸條件下逐漸偏向外力，而在壓縮條件下逐漸偏離外力。這種結(jié)構(gòu)再取向效應(yīng)不僅有利于改善材料的變形能力，而且能夠帶來不同力學(xué)性能的全面同步提升。在拉伸條件下，增強(qiáng)相與應(yīng)力軸之間夾角的減小有利于提高材料的剛度和強(qiáng)度，同時裂紋的擴(kuò)展路徑逐漸偏離其容易擴(kuò)展的大正應(yīng)力平面，使得材料的斷裂韌性得以同步增強(qiáng)；而在壓縮條件下，增強(qiáng)相所受的軸向分應(yīng)力隨著取向逐漸偏離外力而降低，并且其所受的橫向束縛作用隨之增強(qiáng)，這不僅有利于提高材料抵抗微觀局部失穩(wěn)與整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的力學(xué)穩(wěn)定性，而且賦予材料優(yōu)異的劈裂韌性。他們進(jìn)一步建立了不同力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)再取向之間的定量關(guān)系，例如，材料的劈裂韌性與壓縮應(yīng)變之間具有如下定量關(guān)系。
 

　　因此，生物材料可以利用原位結(jié)構(gòu)再取向效應(yīng)改善其在不同應(yīng)力條件下的剛度、強(qiáng)度、力學(xué)穩(wěn)定性與斷裂韌性，從而克服這些性能在傳統(tǒng)材料設(shè)計中常見的相互矛盾的制約關(guān)系。
 

　　多級“縫合”界面效應(yīng)：針對顱骨、魚鱗、穿山甲鱗片等不同生物材料中廣泛存在的微觀取向不斷變化的鋸齒形多級“縫合”界面結(jié)構(gòu)(Hierarchical Suture Interface)，他們從斷裂力學(xué)的角度建立了評判裂紋與界面相互作用方式以及裂紋擴(kuò)展路徑的基本準(zhǔn)則，提出多級“縫合”結(jié)構(gòu)能夠通過促進(jìn)裂紋穿過界面而對界面起到增韌作用的新觀點，并且揭示了“縫合”結(jié)構(gòu)的微觀幾何形狀和結(jié)構(gòu)級數(shù)對界面韌性的影響與作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：多級“縫合”結(jié)構(gòu)能夠促使裂紋與界面之間的夾角偏離其初始入射角度，并且提高裂紋沿界面擴(kuò)展路徑的復(fù)雜崎嶇程度，從而顯著降低驅(qū)使裂紋持續(xù)沿界面偏轉(zhuǎn)的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。例如：裂紋尖端促使裂紋穿過界面與沿界面偏轉(zhuǎn)的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子之比為：
 

　　多級“縫合”結(jié)構(gòu)使得裂紋更加傾向于穿過界面而不是進(jìn)入界面擴(kuò)展，因此對界面起到有效的增韌作用，并且界面的增韌效果會隨著鋸齒的尖銳程度以及結(jié)構(gòu)級數(shù)的增加而顯著增強(qiáng)。他們進(jìn)一步提出了特征臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子比值的概念，該參數(shù)能夠定量反映多級“縫合”結(jié)構(gòu)對界面的增韌效果以及界面的幾何形狀和結(jié)構(gòu)級數(shù)的影響。