金屬所生物力學與仿生材料研究取得新進展

　　生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。

　　近期，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室生物力學與仿生材料研究組博士劉增乾帶領研究團隊在金屬所“引進優秀學者”項目資助下，根據“認識自然–理解自然–學習自然”的思路，從材料科學角度揭示自然界中典型生物材料的組織結構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，進而將其應用于人造材料體系，通過仿生設計實現人造材料的性能優化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。

　　該研究組在系統闡明天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，闡明了梯度結構取向與再取向對力學性能的優化機理，提煉了改善材料綜合力學性能的仿生設計新思路，即通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。同時，該研究組首次發現，材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關系。

　　此外，針對自然界長期“軍備競賽”形成的主要用作武器的天然生物材料，該研究組闡明了其主要的種類、形式與組織結構特征，從材料科學與力學角度揭示了其同步實現進攻與防護效果的性能優化機理，并提煉了共性的仿生材料設計原則，包括從宏觀外形與尺寸到微納米組織結構的多尺度設計、與局部應力狀態相匹配的空間梯度設計、自適應與自修復功能設計，以及配套與支撐系統設計等。特別是研究發現，作為典型的自然武器材料，主要由無機礦物組成的大熊貓牙釉質能夠在發生變形與損傷后在微納米尺度進行顯著的自動回復，這主要得益于其高密度的富含有機質的微觀界面和巧妙的組織結構設計，即組成牙釉質的無機礦物單元在微納米尺度均沿咬合方向規則排列，而礦物之間的界面以天然有機質填充，如圖2所示。牙釉質的變形、損傷與自動回復微觀上都是以界面為媒介實現的，水分子能夠對自修復效應起到顯著的促進作用，這主要歸因于牙釉質界面中的天然有機質在水合條件下會發生溶脹、高分子鏈柔性提高、玻璃化轉變溫度降低等轉變。

　　上述研究成果能夠為新型高性能人造仿生材料設計提供有益的啟示和指導。目前，該研究組正致力于利用上述原則設計研發新型的仿生材料，并且在人牙匹配型仿生復合義齒材料、高強高導電接觸材料等方面取得了新進展，有望顯著提升材料的性能和使用效果，更好地滿足實際應用需求。

圖1 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升