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

受天然生物結(jié)構(gòu)材料的啟發(fā)，本文以短碳纖維增強的尼龍基復合材料，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材料拉壓試驗機上進行準靜態(tài)拉伸實驗，最后結(jié)合理論分析和有限元數(shù)值模擬，對具有不同層間夾角的結(jié)構(gòu)樣品的層內(nèi)、層間應力分布，以及載荷傳遞方式、結(jié)構(gòu)的強度和吸能特性以及損傷破壞模式等力學行為進行了研究，進而提出了基于仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)的力學性能優(yōu)化策略。

在此基礎(chǔ)上，針對3D打印樣品的自修復功能進行了探索，專門設(shè)計制備了短碳纖維增強的尼龍基復合材料和長碳纖維增強的復合材料，并結(jié)合三點彎曲測試對其熱修復和微波修復行為進行了對比研究。這些研究結(jié)果將為輕量化結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和性能優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)，同時為結(jié)構(gòu)材料的功能化設(shè)計提供思路。本文的研究成果有望在航空航天以及新能源等領(lǐng)域得到應用。

天然生物結(jié)構(gòu)材料概述

經(jīng)過數(shù)億年的自然選擇與生物進化，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)部都具有精細設(shè)計的微觀結(jié)構(gòu)，使生物體適應了生存環(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)、多糖等有機物和生物礦物質(zhì)等，進而利用自組裝的模式，將這些材料組合形成種類繁多、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性質(zhì)，但都保障生物體在形態(tài)與功能、環(huán)境適應等各個方面的高效運作。

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

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。

• 復合材料屬性：大多數(shù)生物結(jié)構(gòu)材料都屬于復合材料，都由不同物質(zhì)組成。
• 多層次層級結(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結(jié)構(gòu)。貝殼有2到3級的層次結(jié)構(gòu)，骨骼有7級的層次結(jié)構(gòu)。這些復雜的層級結(jié)構(gòu)，分別對應著某些不同的功能，不同尺度的協(xié)調(diào)也對一些性質(zhì)與功能的實現(xiàn)有關(guān)鍵作用。
• 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：生物結(jié)構(gòu)材料在各個層次上實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，體現(xiàn)在各級結(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，同時兼具自我調(diào)節(jié)和損傷修復等功能。

生物結(jié)構(gòu)材料對仿生學的意義

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

生物結(jié)構(gòu)材料的分類與力學性能

生物結(jié)構(gòu)材料的種類很多，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合材料。對生物結(jié)構(gòu)材料有多種不同的分類方法，Ashby等人將天然生物材料分為天然陶瓷和陶瓷基復合材料、聚合物和聚合物基復合材料、彈性體、多孔材料四種類型。并且他們以彈性模量作為橫軸，斷裂韌性作為縱軸，將生物材料力學性能的變化范圍繪于坐標系內(nèi)，清晰展示不同種類生物材料的力學特點。

生物結(jié)構(gòu)材料對現(xiàn)代工程的啟示

生物在自然選擇與進化過程中，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)異的力學性能，因此長期以來一直吸引著科學家們的目光。同時，這些生物結(jié)構(gòu)材料也為很多現(xiàn)代工程問題提供了參考方案。研究人員從生物結(jié)構(gòu)材料中得到啟發(fā)，設(shè)計制備的仿生結(jié)構(gòu)材料已廣泛應用于航天航空和軍事國防等領(lǐng)域。

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