仿生材料的微组织结构对力学性能的影响

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　　生物材料尽管由性能并不突出的简单组元在相对温和的条件下组装而成，但却表现出优异的综合力学性能和功能特性，这主要得益于其跨越不同尺度的复杂而巧妙的组织结构，特别是由此带来的独特的变形与断裂机制和强韧化机理。

　　图1 原使取向与受力之后微组织结构的再取向

　　中科院某科研团队系统地阐明了天然生物材料梯度设计的形式、原则及其起到的作用与机制的基础上，首次提出了新型材料组织结构取向梯度的概念与设计原则，建立了组织结构取向以及变形过程中发生的结构再取向与材料力学性能之间的系统定量关系，通过控制微观组织结构取向实现材料的局域刚度、强度与韧性的优化分布与相互匹配，从而提高材料整体的力学性能。

　　图2 材料通过微观组织结构再取向实现综合力学性能的全面同步提升

　　同时该课题组发现：材料在加载过程中发生的组织结构再取向不仅可以提高其变形能力，更能够为实现综合力学性能的改善提供有效的途径，如图2所示。通过调整自身的组织结构与所受外力之间的取向关系，材料在拉伸条件下的刚度和强度逐步提高，同时裂纹扩展路径逐渐偏离最大正应力方向，因而断裂韧性得以同步增强;而在压缩条件下，材料的力学稳定性与劈裂韧性也表现出同步增大的趋势。因此，材料可以利用有限的变形实现其刚度、强度、稳定性与断裂韧性的全面提升，而这些性能本身则往往体现出相互制约的关系。

　　(a) 复合结构在受到压力之后逐渐偏离正应力方向;(b、c) 取向轴的角度偏离微观、宏观表述

　　图3

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

　　来源：材料前沿科技微信公众号(ID：clqykj)，作者：Mr.Five。