仿生材料的微組織結構對力學性能的影響

2021-02-15 聲振之家

來源：材料前沿科技微信公眾號（ID：clqykj），作者：Mr.Five。

生物材料儘管由性能並不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益於其跨越不同尺度的複雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。

圖1 原使取向與受力之後微組織結構的再取向

中科院某科研團隊系統地闡明了天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關係，通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。

圖2 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升

同時該課題組發現：材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關係，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關係。

(a) 複合結構在受到壓力之後逐漸偏離正應力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述

圖3

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220


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