竞博

新聞動態
綜合新聞
科研動態
學術活動
媒體聚焦
通知公告
您現在的位置:首頁 > 新聞動態 > 科研動態
天然生物材料力學理論研究取得新進展
 
2019-12-20 | 文章来源:材料疲劳与断裂实验室        【 】【打印】【關閉

  生物體是由材料組成的,力學性能是材料的基本性能指標。不斷提高力學性能使其更好地滿足實際應用需求是天然與人造材料發展的共同目標,同時也是它們面臨的共性難題。在長期的自然選擇與進化過程中,天然生物材料的組織結構與力學性能均得到了持續優化,使得生物體實現了對其生存環境的最佳適應,甚至達到巧奪天工的效果。大自然不僅是天才的材料設計師,而且是人類的良師。從材料學與力學的角度揭示自然界中典型生物材料的組織結構以及賦予其優異性能的關鍵機理,提煉天然與人造材料共性的優化設計原則,能夠爲高性能人造材料的開發提供寶貴的啓示。 

  近期,中國科學院竞博材料疲劳与断裂实验室刘增乾项目研究员和张哲峰研究员与美国加州大学伯克利分校、加州大学河滨分校、加州大学圣地亚哥分校、普渡大学等单位开展合作,在前期对多种典型生物材料的组织结构、力学性能与损伤机制系统研究的基础上,提炼出了若干天然与人造材料性能优化设计的共性原则,主要包括:梯度结构取向效应、原位结构再取向效应和多级“缝合”界面效应。他们揭示了以上设计原则的内在力学原理,并进一步提出了一系列新的力学理论,为新型高性能仿生材料的设计与研发提供了理论指导。 

  梯度结构取向效应:针对不同生物材料宏观外形与微观组织结构的取向变化,他们首次提出了新型材料组织结构取向梯度(Gradient Structural Orientation)的概念与设计原则,从材料力学的角度建立了梯度组织结构取向与刚度、强度、断裂韧性之间的系列定量关系,例如杨氏模量与取向角度之间具有如下定量关系: 

 

在此基礎上,他們闡明了梯度結構取向效應實現性能優化的力學原理,提煉了改善材料抵抗接觸損傷能力的仿生設計新思路。研究表明:隨著微觀組織結構取向逐漸偏離所受外力的方向,材料的剛度和強度從表面到內部逐漸降低,而斷裂韌性隨著裂紋越來越偏離其容易擴展的I型應力面而逐漸增大,從而達到了表面剛強而內部柔韌的效果,有效減輕了接觸應力對材料造成的損傷,如圖1所示。 

  原位结构再取向效应:针对天然生物材料的各向异性组织结构,他们首次提出了生物材料通过原位结构再取向(Adaptive Structural Reorientation)实现力学性能全面优化的策略与设计原则。研究发现:自然界中的木材、鱼鳞、骨骼等不同生物材料的微观组织结构在拉伸条件下逐渐偏向外力,而在压缩条件下逐渐偏离外力。这种结构再取向效应不仅有利于改善材料的变形能力,而且能够带来不同力学性能的全面同步提升。在拉伸条件下,增强相与应力轴之间夹角的减小有利于提高材料的刚度和强度,同时裂纹的扩展路径逐渐偏离其容易扩展的最大正应力平面,使得材料的断裂韧性得以同步增强;而在压缩条件下,增强相所受的轴向分应力随着取向逐渐偏离外力而降低,并且其所受的横向束缚作用随之增强,这不仅有利于提高材料抵抗微观局部失稳与整体结构失稳的力学稳定性,而且赋予材料优异的劈裂韧性。他们进一步建立了不同力学性能与结构再取向之间的定量关系,例如,材料的劈裂韧性与压缩应变之间具有如下定量关系:  

 

因此,生物材料可以利用原位結構再取向效應全面改善其在不同應力條件下的剛度、強度、力學穩定性與斷裂韌性,從而克服這些性能在傳統材料設計中常見的相互矛盾的制約關系,如圖2所示。 

  多级“缝合”界面效应:针对颅骨、鱼鳞、穿山甲鳞片等不同生物材料中广泛存在的微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面结构(Hierarchical Suture Interface),他们从断裂力学的角度建立了评判裂纹与界面相互作用方式以及裂纹扩展路径的基本准则,首次提出多级“缝合”结构能够通过促进裂纹穿过界面而对界面起到增韧作用的新观点,并且揭示了“缝合”结构的微观几何形状和结构级数对界面韧性的影响与作用机理。研究发现:多级“缝合”结构能够促使裂纹与界面之间的夹角偏离其初始入射角度,并且提高裂纹沿界面扩展路径的复杂崎岖程度,从而显著降低驱使裂纹持续沿界面偏转的有效应力强度因子。例如:裂纹尖端促使裂纹穿过界面与沿界面偏转的有效应力强度因子之比为:

 

多級“縫合”結構使得裂紋更加傾向于穿過界面而不是進入界面擴展,因此對界面起到有效的增韌作用,並且界面的增韌效果會隨著鋸齒的尖銳程度以及結構級數的增加而顯著增強,如圖3所示。他們進一步提出了特征臨界應力強度因子比值的概念,該參數能夠定量反映多級“縫合”結構對界面的增韌效果以及界面的幾何形狀和結構級數的影響,如圖4所示。

  上述系列研究成果于近期发表在Advanced Functional Materials (doi: 10.1002/adfm.201908121)、Advanced Materials 31 (2019) 1901561、Acta Biomaterialia (doi: j.actbio.2019.11.034)、Acta Biomaterialia 86 (2019) 96、Journal of Biomechanics 96 (2019) 109336,以及Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 91 (2019) 278等刊物,并且受邀撰写特约科普综述文章发表于《自然杂志》41 (2019) 313,同时利用上述生物力学原理设计研发了新型高性能仿生材料,相关成果发表于Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.201904603)和ACS Applied Nano Materials 2 (2019) 1111。以上工作得到了国家自然科学基金项目的资助(资助号:51871216、51501190、51331007)。 

相關論文鏈接:

1、天然生物材料结构取向设计:Advanced Functional Materials (doi: 10.1002/adfm.201908121);
2、生物材料韧化机制:Advanced Materials 31 (2019) 1901561、Journal of Biomechanics 96 (2019) 109336、《自然杂志》41 (2019) 313;
3、仿生设计实现增韧:Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.201904603)、ACS Applied Nano Materials 2 (2019) 1111;
4、多级“缝合”界面效应:Acta Biomaterialia (doi: j.actbio.2019.11.034); 
5、原位结构再取向效应:Acta Biomaterialia 86 (2019) 96;
6、梯度结构取向效应:Acta Biomaterialia 44 (2016) 31。 
圖1:梯度結構取向效應實現生物材料力學性能從表面到內部梯度變化規律,從而提高材料整體抵抗接觸損傷的能力
圖2:生物材料通過變形過程中的原位結構再取向效應實現拉伸與壓縮條件下不同力學性能的全面同步提升

圖3:不同生物材料中的鋸齒形多級“縫合”界面結構及其通過阻礙裂紋沿界面偏轉而對界面起到增韌作用

圖4:具有不同鋸齒尖銳程度的多級“縫合”結構界面的開裂傾向隨結構級數的增加而逐漸降低

文檔附件

相關信息
聯系我們 | 所長信箱 | 網站地圖 | 友情鏈接
地址: 沈阳市沈河区文化路72号 邮编: 110016
管理员邮箱: office@imr.ac.cn
中國科學院竞博 版权所有 辽ICP备05005387号

官方微博

官方微信