中科院金屬研究所鎂-鈦復(fù)合仿生材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究取得新進(jìn)展

（2022 年6 月7日消息）近日，中科院金屬研究所在前期研制高阻尼鎂基仿生材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)模仿典型天然生物材料的微觀三維互穿結(jié)構(gòu)與空間構(gòu)型，利用“3D 打印+熔體浸滲”工藝制備了一系列新型鎂-鈦仿生材料，在金屬體系中成功構(gòu)筑了類似鮑魚殼的“磚-泥”結(jié)構(gòu)、螳螂蝦殼的螺旋編織結(jié)構(gòu)和紫石房蛤殼的交叉疊片結(jié)構(gòu)，并在經(jīng)典層合理論基礎(chǔ)上建立了能夠定量描述仿生材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間關(guān)系的力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了其模量與強(qiáng)度的定量預(yù)測(cè)。鎂-鈦復(fù)合仿生材料在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方面取得了新進(jìn)展。

研究發(fā)現(xiàn)：在鎂-鈦復(fù)合材料體系中，仿生結(jié)構(gòu)能夠起到顯著的強(qiáng)韌化作用，與組成相似但不具有仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料相比，仿生材料的強(qiáng)度與韌性同步提高，其斷裂能提升2～8 倍，特別是交叉疊片結(jié)構(gòu)因具有多級(jí)結(jié)構(gòu)特征而表現(xiàn)出最佳的強(qiáng)韌化效果；仿生材料中鎂、鈦兩相在三維空間相互貫穿，有利于促進(jìn)它們之間的應(yīng)力傳遞，并抑制各自相中的變形與損傷演化，減輕應(yīng)變局域化程度，從而延緩仿生材料整體發(fā)生斷裂，提高其拉伸強(qiáng)度與塑性；微觀取向不斷變化的特定空間構(gòu)型能夠誘導(dǎo)裂紋沿仿生結(jié)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增大裂紋面的面積，并且凹凸不平的裂紋面之間能夠產(chǎn)生摩擦并形成橋連，有助于消耗外加機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)高效增韌；不同類型的仿生結(jié)構(gòu)均可通過(guò)提取結(jié)構(gòu)中的最小重復(fù)單元，并考察其在三維空間的緊密堆積形式進(jìn)行定量描述，進(jìn)而將經(jīng)典層合理論發(fā)展應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)，能夠建立仿生材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，從而為預(yù)測(cè)仿生材料的性能以及優(yōu)化設(shè)計(jì)仿生結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。