自然生物結(jié)構(gòu)材料盡管由脆弱的無機礦物和柔軟的高分子構(gòu)成,但憑借著其精致的多尺度分級結(jié)構(gòu)和界面設(shè)計,往往可展現(xiàn)遠超出自身組分幾個數(shù)量級的優(yōu)異性能。這種在溫和的條件下由受限的材料組分實現(xiàn)的多級有序結(jié)構(gòu)和性能放大化,使自然結(jié)構(gòu)材料日漸成為材料學家追求的模型。研究者解析自然材料的多級次構(gòu)造及構(gòu)效關(guān)系,提取仿生設(shè)計原理,利用豐富的合成組裝單元,發(fā)展仿生策略,期望設(shè)計出超越現(xiàn)有工程材料的新型仿生結(jié)構(gòu)材料。盡管已取得系列進展,但構(gòu)筑真正面向?qū)嶋H應(yīng)用的宏觀三維仿生結(jié)構(gòu)塊材并同時實現(xiàn)對其微納結(jié)構(gòu)和界面的精準設(shè)計與調(diào)控仍然具有挑戰(zhàn)性,實現(xiàn)高性能仿生結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用推廣仍面臨著許多關(guān)鍵科學問題和技術(shù)問題。深入發(fā)展溫和、高效和可控的仿生多級有序組裝和界面設(shè)計策略將有助于推進仿生結(jié)構(gòu)材料的實用化步伐。本論文著眼于這一點,以多種高性能自然生物結(jié)構(gòu)材料為指引,首先分析了巨骨舌魚鱗片、螳螂蝦錘頭、骨骼和貝殼珍珠母等生物結(jié)構(gòu)材料的基本構(gòu)筑單元、多級次有序結(jié)構(gòu)及其與其優(yōu)異性能的關(guān)系,進而從仿生組裝單元和仿生設(shè)計策略兩方面綜述了近年來仿生結(jié)構(gòu)材料的進展情況。針對現(xiàn)有的局限和問題,進一步探索開發(fā)了多種溫和、高效和普適的仿生組裝和界面設(shè)計策略,對不同維度的微納結(jié)構(gòu)單元進行了宏觀尺度下的仿生組裝設(shè)計與精細調(diào)控,最終實現(xiàn)了幾種高性能仿生結(jié)構(gòu)材料的宏量可控構(gòu)筑與制備。所取得的主要研究成果總結(jié)如下:1.受天然巨骨舌魚鱗片等的微納纖維螺旋膠合板結(jié)構(gòu)和強韌化機制的啟發(fā),發(fā)展了一種刷涂與螺旋層積相結(jié)合的普適性仿生組裝策略,實現(xiàn)了在宏觀尺度上靈活操控一維微納米纖維的空間取向,以羥基磷灰石微纖維為組裝基元并結(jié)合海藻酸鈉,成功將自然材料的多級膠合板結(jié)構(gòu)和強韌化機制復制至人工合成材料體系,并首次構(gòu)筑了具有高損傷容忍能力的宏觀體相仿生盔甲防護結(jié)構(gòu)材料。2.受天然貝殼珍珠母的“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)和強韌化機制的啟發(fā),發(fā)明了一種宏量制備基于二維微納米薄片仿生組裝單元的高性能、大尺寸且結(jié)構(gòu)精細的人工珍珠母塊材的方法。該仿生策略具有溫和、靈活、高效、可放大和普適等優(yōu)勢,為設(shè)計制備面向?qū)嶋H應(yīng)用的先進仿生結(jié)構(gòu)材料塊體奠定了方法學基礎(chǔ)。3.受天然貝殼珍珠母的多級次界面結(jié)構(gòu)和優(yōu)越性能的啟發(fā),提出了一種多尺度聚合物基軟硬雙網(wǎng)絡(luò)界面設(shè)計的概念,在溫和高效的仿生組裝過程中運用之可操控超薄納米片結(jié)構(gòu)單元的界面微環(huán)境,進而精確調(diào)控所組裝構(gòu)筑的宏觀三維仿生納米復合材料的綜合性能。多級界面優(yōu)化后的仿生復合材料展現(xiàn)了卓越的界面增強效率、機械性能、抵抗?jié)駳馑芑芰蜔岱�(wěn)定性。所提出的仿生軟硬界面設(shè)計策略條件溫和而且方法普適,為今后構(gòu)筑更多高性能仿生結(jié)構(gòu)材料提供了新途徑。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB391
【部分圖文】：

逑顯微鏡、同步輻射小角Ｘ射線散射、原位拉伸加載實驗、穿刺實驗和分子動力逡逑學模擬等手段，分析了淲片的多尺度構(gòu)造（圖１．１）并深入揭示了該類魚能夠抵逡逑御水虎魚攻擊的機制（圖１．２）。研宄發(fā)現(xiàn)，淲片除了具有高度礦化的外部硬質(zhì)層逡逑夕卜，還具有由磷酸鈣納米粒子礦化的膠原纖維螺旋排布而成的膠合板微納結(jié)構(gòu)。逡逑這種特殊的螺旋構(gòu)造使魚淲在受到外來載荷時，其內(nèi)部的纖維片層發(fā)生重新定向逡逑行為，其中大多數(shù)纖維薄片朝向拉伸軸定向并且通過拉伸／滑動機制在張力作用逡逑下發(fā)現(xiàn)變形，而其他纖維薄片則逐漸旋轉(zhuǎn)遠離拉伸軸并呈現(xiàn)壓縮趨勢，正是這種逡逑獨特的結(jié)構(gòu)及其復雜的形變機制（如拉伸、旋轉(zhuǎn)、脫層和壓縮等）使巨骨舌魚淲逡逑片擁有抵抗突然失效、吸收大量能量并抑制裂紋擴張延伸的損傷容忍能力逡逑３邐Ａｒ＾ｊａｖｎａ邐Ｃ邐Ｓｃ？ｉ＊邋ｃｎ＞￥９－＞？ｃｔ＞ｏｎ邐？邐ｃｏｌｔｏｇｅｒ，逡逑／，＝‘一逡逑ｂ邋Ｏｖ？ｒｉａｐｐ＾邋ＡｔＭｐａｔｍＭ邋ｖ＾ｕ＊ｓ邐Ｔ0Ｒ逡逑ｄ邋Ｂｏｕｆｃｇｗ＾ｔｙｐ＊邋＊？ｆａｎｇ＊ｎ＊0？逡逑圖１．１巨骨舌魚及其鱗片的多尺度結(jié)構(gòu)。（ａ）巨骨舌魚的數(shù)碼照片；（ｂ）巨骨舌魚交疊的魚逡逑鱗片的數(shù)碼照片；（ｃ）巨骨舌魚鱗片的橫截面的掃描電子顯微鏡照片

逑顯微鏡、同步輻射小角Ｘ射線散射、原位拉伸加載實驗、穿刺實驗和分子動力逡逑學模擬等手段，分析了淲片的多尺度構(gòu)造（圖１．１）并深入揭示了該類魚能夠抵逡逑御水虎魚攻擊的機制（圖１．２）。研宄發(fā)現(xiàn)，淲片除了具有高度礦化的外部硬質(zhì)層逡逑夕卜，還具有由磷酸鈣納米粒子礦化的膠原纖維螺旋排布而成的膠合板微納結(jié)構(gòu)。逡逑這種特殊的螺旋構(gòu)造使魚淲在受到外來載荷時，其內(nèi)部的纖維片層發(fā)生重新定向逡逑行為，其中大多數(shù)纖維薄片朝向拉伸軸定向并且通過拉伸／滑動機制在張力作用逡逑下發(fā)現(xiàn)變形，而其他纖維薄片則逐漸旋轉(zhuǎn)遠離拉伸軸并呈現(xiàn)壓縮趨勢，正是這種逡逑獨特的結(jié)構(gòu)及其復雜的形變機制（如拉伸、旋轉(zhuǎn)、脫層和壓縮等）使巨骨舌魚淲逡逑片擁有抵抗突然失效、吸收大量能量并抑制裂紋擴張延伸的損傷容忍能力逡逑３邐Ａｒ＾ｊａｖｎａ邐Ｃ邐Ｓｃ？ｉ＊邋ｃｎ＞￥９－＞？ｃｔ＞ｏｎ邐？邐ｃｏｌｔｏｇｅｒ，逡逑／，＝‘一逡逑ｂ邋Ｏｖ？ｒｉａｐｐ＾邋ＡｔＭｐａｔｍＭ邋ｖ＾ｕ＊ｓ邐Ｔ0Ｒ逡逑ｄ邋Ｂｏｕｆｃｇｗ＾ｔｙｐ＊邋＊？ｆａｎｇ＊ｎ＊0？逡逑圖１．１巨骨舌魚及其鱗片的多尺度結(jié)構(gòu)。（ａ）巨骨舌魚的數(shù)碼照片；（ｂ）巨骨舌魚交疊的魚逡逑鱗片的數(shù)碼照片；（ｃ）巨骨舌魚鱗片的橫截面的掃描電子顯微鏡照片

逡逑圖１．３雀尾螳螂蝦錘頭的多級次結(jié)構(gòu)表征。（ａ）邋—種通常的口足類動物平面圖：（ｂ）雀尾螳逡逑螂蝦放大的前端視圖，箭頭指示沖擊表面錘頭的位置；（ｃ）背散射掃描電子顯微鏡下的雀尾逡逑螳螂蝦錘頭的外部形態(tài)；（ｄ）微計算斷層掃描縱切面（完整標本的前半部分）顯示了錘頭沖逡逑擊區(qū)（Ｄ）和錘頭掌節(jié)區(qū)（Ｐ）的部分，揭示了它們的電子密度差異；（ｅ）截面分析表明了逡逑雀尾螳螂蝦錘頭主要包含三個典型的區(qū)域，即致密沖擊區(qū)（藍色區(qū)域）、周期區(qū)（含有中間逡逑紅色部分和側(cè)面的黃色部分）和條紋區(qū)（綠色區(qū)域），此外，掌節(jié)部分的周期區(qū)體現(xiàn)為橘黃逡逑色；（ｆ）雀尾螳螂蝦錘頭的數(shù)碼照片，可分別呈現(xiàn)出外部沖擊區(qū)、周期區(qū)和條紋區(qū)域；（ｇ）逡逑普通的螺旋結(jié)構(gòu)三維模型；（ｈ）雀尾螳螂蝦錘頭的周期區(qū)的掃描電子顯微鏡照片；（ｉ）雀尾逡逑螳螂蝦錘頭的周期區(qū)拋光后的掃描電子顯微鏡照片；（ｊ）通過Ｘ射線散射分析可使幾丁質(zhì)纖逡逑維的螺旋定向更加形象化［１３］。逡逑一先－ｏａｙ＂＾＇一一邐＊逡逑。ｊ■．

本文編號：2810426