天然生物与仿生梯度材料研究获进展

天然生物与仿生梯度材料研究获进展

中国科学院金属研究所与美国加利福尼亚大学伯克利分校、加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员合作，揭示了生物组织与材料中广泛存在的梯度结构取向特征，并提炼出了一种提高材料接触损伤抗力的仿生设计新思路，即通过控制微观组织结构取向获得梯度变化的力学性能，实现局域刚度、强度与韧性的优化分布与相互匹配，从而提高结构整体的力学性能。通过力学分析与数值模拟，研究人员建立了结构取向与各力学性能之间的定量关系，阐明了材料损伤抗力提高的机理，并提出了相应仿生梯度结构的设计方法。

在此基础上，研究人员进一步总结了自然界中常见基本功能梯度材料的设计形式与原则，并以典型的生物材料为例，按照组成与成分、组织结构（包括结构单元的排列方式、空间分布、尺度和取向）、界面，以及不同类型梯度在多级结构尺度的结合与匹配的思路，对生物材料中的梯度进行了具体的描述与分析，归纳了梯度设计在材料性能优化中所起的作用和相应机制。同时，研究人员总结了在仿生梯度材料设计与应用方面取得的最新进展，特别是对3D打印等新型材料制备技术在仿生梯度材料领域的应用进行了讨论，并指出了未来天然生物与仿生梯度材料研究亟待解决的关键科学问题及面临的挑战。 (金属所)