天然生物與仿生梯度材料研究獲進展

天然生物與仿生梯度材料研究獲進展

中國科學院金屬研究所與美國加利福尼亞大學伯克利分校、加利福尼亞大學圣地亞哥分校的研究人員合作，揭示了生物組織與材料中廣泛存在的梯度結構取向特征，并提煉出了一種提高材料接觸損傷抗力的仿生設計新思路，即通過控制微觀組織結構取向獲得梯度變化的力學性能，實現局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高結構整體的力學性能。通過力學分析與數值模擬，研究人員建立了結構取向與各力學性能之間的定量關系，闡明了材料損傷抗力提高的機理，并提出了相應仿生梯度結構的設計方法。

在此基礎上，研究人員進一步總結了自然界中常見基本功能梯度材料的設計形式與原則，并以典型的生物材料為例，按照組成與成分、組織結構（包括結構單元的排列方式、空間分布、尺度和取向）、界面，以及不同類型梯度在多級結構尺度的結合與匹配的思路，對生物材料中的梯度進行了具體的描述與分析，歸納了梯度設計在材料性能優化中所起的作用和相應機制。同時，研究人員總結了在仿生梯度材料設計與應用方面取得的最新進展，特別是對3D打印等新型材料制備技術在仿生梯度材料領域的應用進行了討論，并指出了未來天然生物與仿生梯度材料研究亟待解決的關鍵科學問題及面臨的挑戰。 (金屬所)