3D打印的方法使研究人員制造具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的材料成為可能，并已被廣泛用于研究結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系及其微觀機(jī)制。

受天然生物結(jié)構(gòu)材料的啟發(fā)，本文以短碳纖維增強(qiáng)的尼龍基復(fù)合材料，采用3D打印技術(shù)制備出具有不同層間夾角的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品。將制備的樣品在Instron3343材料拉壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，最后結(jié)合理論分析和有限元數(shù)值模擬，對(duì)具有不同層間夾角的結(jié)構(gòu)樣品的層內(nèi)、層間應(yīng)力分布，以及載荷傳遞方式、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和吸能特性以及損傷破壞模式等力學(xué)行為進(jìn)行了研究，進(jìn)而提出了基于仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)化策略。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)3D打印樣品的自修復(fù)功能進(jìn)行了探索，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制備了短碳纖維增強(qiáng)的尼龍基復(fù)合材料和長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，并結(jié)合三點(diǎn)彎曲測(cè)試對(duì)其熱修復(fù)和微波修復(fù)行為進(jìn)行了對(duì)比研究。這些研究結(jié)果將為輕量化結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)，同時(shí)為結(jié)構(gòu)材料的功能化設(shè)計(jì)提供思路。本文的研究成果有望在航空航天以及新能源等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

天然生物結(jié)構(gòu)材料概述

經(jīng)過(guò)數(shù)億年的自然選擇與生物進(jìn)化，地球上形成了豐富多彩的生態(tài)系統(tǒng)。每一種生物體都由多種生物材料構(gòu)成，大量的天然生物結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部都具有精細(xì)設(shè)計(jì)的微觀結(jié)構(gòu)，使生物體適應(yīng)了生存環(huán)境。

天然生物材料，即自然條件下生成的生物材料，主要包含天然纖維、生物體組織、結(jié)構(gòu)蛋白以及生物礦物等材料。生物體從自然界中獲取食物、空氣、水分等，在自然環(huán)境條件下，以低原子序數(shù)的元素（如氫、氧、碳、氮、鈣、磷、氯、鈉、鉀、硫等），合成蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物和生物礦物質(zhì)等，進(jìn)而利用自組裝的模式，將這些材料組合形成種類(lèi)繁多、功能各異的生物結(jié)構(gòu)材料。

一些典型的天然生物結(jié)構(gòu)材料，如貝殼類(lèi)生物的外殼，由高分子組成的軟物質(zhì)和礦物質(zhì)形成的硬物質(zhì)組合而成；動(dòng)物骨骼和牙齒由礦物質(zhì)為主要成分組成，具有不同的物理和力學(xué)性質(zhì)，但都保障生物體在形態(tài)與功能、環(huán)境適應(yīng)等各個(gè)方面的高效運(yùn)作。

生物結(jié)構(gòu)材料與人造結(jié)構(gòu)材料對(duì)比及特性

與人造結(jié)構(gòu)材料相比較，生物材料均具有非常鮮明的特征。

• 復(fù)合材料屬性：大多數(shù)生物結(jié)構(gòu)材料都屬于復(fù)合材料，都由不同物質(zhì)組成。
• 多層次層級(jí)結(jié)構(gòu)：生物結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出從宏觀到微觀的多層次的層級(jí)結(jié)構(gòu)。貝殼有2到3級(jí)的層次結(jié)構(gòu)，骨骼有7級(jí)的層次結(jié)構(gòu)。這些復(fù)雜的層級(jí)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)著某些不同的功能，不同尺度的協(xié)調(diào)也對(duì)一些性質(zhì)與功能的實(shí)現(xiàn)有關(guān)鍵作用。
• 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：生物結(jié)構(gòu)材料在各個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，體現(xiàn)在各級(jí)結(jié)構(gòu)的幾何特性、成分、功能梯度等方面，因此同種生物結(jié)構(gòu)材料也可能同時(shí)具有多方面功能。生物結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化是以有利于生存為目標(biāo)，同時(shí)兼具自我調(diào)節(jié)和損傷修復(fù)等功能。

生物結(jié)構(gòu)材料對(duì)仿生學(xué)的意義

生物材料的這些特性為仿生學(xué)的發(fā)展提供了創(chuàng)新源泉，在材料選取和性能改進(jìn)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提供了一系列可參考的依據(jù)。而實(shí)現(xiàn)仿生的關(guān)鍵問(wèn)題是如何解讀生物結(jié)構(gòu)的奧妙，從而最終能夠在先進(jìn)人工材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面獲得應(yīng)用。

生物結(jié)構(gòu)材料的分類(lèi)與力學(xué)性能

生物結(jié)構(gòu)材料的種類(lèi)很多，但是幾乎所有的生物結(jié)構(gòu)材料的組分大多相同，都由多種物質(zhì)構(gòu)成，因此生物材料屬于復(fù)合材料。對(duì)生物結(jié)構(gòu)材料有多種不同的分類(lèi)方法，Ashby等人將天然生物材料分為天然陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料、聚合物和聚合物基復(fù)合材料、彈性體、多孔材料四種類(lèi)型。并且他們以彈性模量作為橫軸，斷裂韌性作為縱軸，將生物材料力學(xué)性能的變化范圍繪于坐標(biāo)系內(nèi)，清晰展示不同種類(lèi)生物材料的力學(xué)特點(diǎn)。

生物結(jié)構(gòu)材料對(duì)現(xiàn)代工程的啟示

生物在自然選擇與進(jìn)化過(guò)程中，功能與結(jié)構(gòu)趨于完善，許多天然生物結(jié)構(gòu)材料都具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此長(zhǎng)期以來(lái)一直吸引著科學(xué)家們的目光。同時(shí)，這些生物結(jié)構(gòu)材料也為很多現(xiàn)代工程問(wèn)題提供了參考方案。研究人員從生物結(jié)構(gòu)材料中得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)制備的仿生結(jié)構(gòu)材料已廣泛應(yīng)用于航天航空和軍事國(guó)防等領(lǐng)域。

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