仿生高韧水泥基复合材料制备技术及增韧机理

为了提升混凝土基体的韧性,基于贝壳珍珠层独特“砖-泥”结构,采用水泥石与有机聚合物制备出具有仿生“砖-桥-泥”结构的高韧水泥基复合材料.通过三点弯曲试验、扫描电子显微镜及有限元模拟方法研究了仿生水泥基材料的抗折强度、韧性及增韧机理.结果表明,相较于传统水泥的脆性断裂模式,仿生水泥基材料表现出明显的延性断裂特征,包括峰后曲线渐进下降、跨中挠度大幅增加等.基于有机聚合物的多尺度桥接-伸展效应,仿生水泥基材料内部呈现明显的裂纹偏转及分支现象,体现了仿生“砖-桥-泥”结构的内外协同增韧机制.仿生水泥基材料能够在保证95%抗折强度的基础上,将水泥基体的韧性提高179.45%,可为解决混凝土增韧降脆问题提供新的技术路径.

基于天然指状蔷薇珊瑚礁结构的仿生珊瑚修复材料

在对天然指状蔷薇珊瑚礁(Md CR)进行了全面化学成分、物理形貌及力学性能分析的基础上,以白水泥(WCE)为基底,通过添加发泡剂(LG-2258)和壳聚糖(CS),模拟Md CR的化学组成及物理结构,制备了3种Md CR仿生材料。通过SEM、FTIR、EDS、ICP-OES和微机控制电子万能试验机对Md CR及Md CR仿生材料进行了结构表征、化学成分测定和性能测试,并将Md CR移植到仿生材料上,放置于模拟海水中进行了为期6个月人工培育。结果表明,Md CR仿生材料具有与Md CR相似的孔隙结构、力学性能及化学组成;珊瑚虫可附着在仿生材料表面生长出新的珊瑚组织,Md CR在仿生材料表面培育平均增长10.36 mm。

MAX相陶瓷增强金属基复合材料:制备、性能与仿生设计

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态,MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点,并且常与金属之间表现出良好的润湿性,有助于形成强界面结合,独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此,作为金属基复合材料的增强相,MAX相陶瓷具有显著优势,本文着重介绍相关研究进展。目前,MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备,得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量,同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外,借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列,然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架,可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料,进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。

生物活性玻璃3D打印仿生支架与不同来源的骨块移植材料在兔颅骨垂直骨增量中成骨的比较研究

目的比较3D打印生物活性玻璃仿生支架与异种骨、同种异体骨及自体骨的微观结构特征及体内垂直骨增量的成骨功效。方法仿骨小梁及哈弗森管进行支架设计,并采用A-W生物活性玻璃进行数字光处理3D打印,烧结成型。将3D打印支架与牛异种骨块、人同种异体骨块及兔自体骨块进行电镜和Micro-CT扫描,研究其形貌和微观结构特征,并将4种骨移植材料随机植入16只新西兰白兔颅顶骨进行体内垂直骨增量实验。每只兔接受4个不同类型的骨移植物,尺寸均为直径6 mm、高5 mm的圆柱体。采集4、12周兔颅骨样本进行Micro-CT扫描分析及组织切片分析,评估并比较4种骨移植材料新骨的形成。结果4种骨移植材料的多孔微观形貌特征存在显著差异。Micro-CT和组织切片分析显示,4周时,3D打印支架新生骨高度显著高于同种异体骨,新生骨面积显著高于异种骨和兔自体骨。12周时,3D打印支架和异种骨的新生骨高度、面积和体积均显著高于同种异体骨。3D打印支架、异种骨、同种异体骨及兔自体骨的维持空间体积降至74.73±5.23%、77.91±7.03%、29.81±8.09%、47.30±10.94%。结论本研究具有一定局限性。初步表明,生物活性玻璃仿生打印支架与临床产品的骨块移植物相比,在体内促进垂直骨增量方面表现出较快较好的成骨性能。

聚丙烯熔喷空气过滤材料表面仿生改性及性能

聚丙烯(PP)熔喷空气过滤材料的抗菌性能较差,细菌、霉菌等微生物会寄生于材料表面。文中利用仿生改性法,以单宁酸(TA)为抗菌改性剂、CuSO_(4)/H_(2)O_(2)为促进剂制备了具有优异抗菌性能的PP/TA熔喷空气过滤材料。分析讨论了TA改性溶液浓度和CuSO_(4)/H_(2)O_(2)促进剂的加入对PP/TA熔喷空气过滤材料结构与性能的影响。结果表明,CuSO_(4)/H_(2)O_(2)促进剂的加入将TA改性时间从24 h缩短至40 min,并增强了PP/TA熔喷空气过滤材料的改性牢度。当TA浓度为6 g/L时,PP/TA熔喷空气过滤材料相较于PP熔喷空气过滤材料其过滤效率和压降分别提升了2.7%和4 Pa,水接触角降低了17.5°;且TA改性对PP熔喷空气过滤材料的驻极性能并无影响,驻极后PP/TA熔喷过滤材料的过滤效率为95.56%,压降为38 Pa,且具备良好的抗菌性能。同时,CuSO_(4)/H_(2)O_(2)促进剂的加入在材料表面引入了Cu^(2+),增强了抗菌效果。

高强韧仿生螺旋复合材料超结构设计与分析

随着人类航天活动的日益频繁,轨道空间环境不断恶化,提升航天器结构强度和韧性具有重要的现实意义.该文设计了具有中面对称特性的高强韧仿生螺旋复合材料超结构,开发了相应的热压制备工艺.通过准静态压痕性能测试,以荷载⁃位移曲线、峰值力、失效位移、刚度与能量吸收为关键力学指标,分别在37层与73层下对正交、准各向同性以及5°,10°,20°螺旋铺层的碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced polymer,CFRP)超结构进行了性能表征,并分析了破坏模式与失效机理.研究结果表明:相较于传统铺层方法,采用对称螺旋铺层方式能够有效减小层间应力,显著提升超结构的准静态压痕性能;尤其是当螺旋角设定为10°时,超结构在峰值载荷和能量吸收方面得到了卓越的性能提升.该研究成果不仅为航天领域内高性能复合材料超结构的设计与制造提供了理论支持,同时也为其实际应用奠定了实践基础.

贝壳仿生陶瓷刀具材料制备与力学性能研究

以Al_(2)O_(3)-(W,Ti)C为基体层,Al_(2)O_(3)-TiC为夹层,采用热压烧结工艺制备了力学性能较好的贝壳仿生陶瓷刀具材料,对材料的层数、层厚比和界面形状等叠层结构参数进行优化,测试材料的力学性能,并对其微观组织进行分析。分析结果表明,当层数为3、层厚比为3时,材料有较好的综合力学性能。在层间引入不同的界面形状,刀具材料的力学性能相较于无界面形状的刀具材料得到了提高,在所制备的试样中,最佳的断裂韧性、维氏硬度和抗弯强度分别为7.16MPa·m^(1/2)±0.04MPa·m^(1/2),20.40GPa±0.07GPa和981.72MPa±10.86MPa。

陶瓷框架增强聚四氟乙烯仿生复合材料及其摩擦学性能研究

针对聚四氟乙烯自润滑复合材料耐磨性差这一工业润滑领域的瓶颈问题,本研究中受人牙釉质釉柱/釉间质微观结构的抗磨作用机制启发,基于有限元分析和1种乙酸锆改进的定向冷冻技术,设计制备了定向多孔氧化锆陶瓷框架增强聚四氟乙烯仿生复合材料,并对其力学性能和摩擦学行为进行了试验研究.结果表明:仿生复合材料的自润滑性能良好,力学性能和耐磨性远优于聚四氟乙烯和商用聚四氟乙烯自润滑复合材料易格斯.与易格斯材料相比,仿生复合材料的硬度提高约1.8倍,弹性模量提高约15.2%,抗压强度提高约2.8倍,磨损体积降低约76.6%.仿生复合材料优异的摩擦学性能与定向多孔陶瓷框架增强结构密切相关,这种陶瓷框架增强结构具有Voigt模型(复合材料承载能力上限)承载特性,能够大幅提高复合材料的承载能力,避免材料表面发生严重变形和破坏,提高耐磨性.同时,仿生复合材料的氧化锆陶瓷框架占比仅为25.6%(体积分数),高含量的聚四氟乙烯填料能够有效地在摩擦接触界面形成自润滑转移膜,实现良好润滑.

仿生柔性抗缺陷材料研究进展

在众多人造材料中,强度和韧性是相互制约的,如何使材料在具有高强度的同时兼具较高的韧性,其关键在于通过结构设计赋予材料较强的抗缺陷能力。大自然中存在很多种能够兼顾高强度和高韧性的材料,而这类材料往往具有独特的天然抗缺陷结构,为合成材料的设计与制造提供了丰富灵感。本文介绍了材料抗缺陷特性的主要机理,综述了仿生高性能抗缺陷材料特别是柔性材料相关的研究进展。在天然抗缺陷原型的启发下,相关仿生材料也能兼顾高强度与高韧性等力学性能,进而实现材料承载能力和使用可靠性的提升。同时,本文对该领域的未来研究方向进行了展望。

飞行器舱室内壁蛛网仿生薄膜声学超材料设计

飞行器舱室内部噪声对乘员及飞行操控和通信构成了显著威胁,薄膜声学超材料(MAM)在满足轻量化要求的同时具有出色的降噪性能,能够满足航空工业领域对降噪和飞行器重量的双重要求。受蛛网启发,本文通过结合膜、框和一组振子设计了一种仿生薄膜声学超材料。计算和试验结果表明,仿生模型的振子质量减少了19%,降噪带宽扩展了61%。此外,本文研究了三种设计参数(薄膜形状、振子位置和模型大小)对结构降噪性能的影响规律,并分析了其多级反共振模态。结果表明,圆形模型在降噪性能上优于两个方形模型。当振子位置在半径比为0.54时,可获得最佳的降噪性能。模型在尺寸减小时仍有较大的降噪效果,但当尺寸增大时有失效的可能。非固定框在2×2阵列模型中有助于形成反共振模态,而在3×3阵列模型中作用则相反。根据不同的频率需求调节设计参数,能够适配于飞行器内部复杂、多变的噪声环境。

仿生矿化透明质酸钠复合材料的制备及其性能分析

为了提升透明质酸钠(Sodium hyaluronate,SH)的力学性能,采用仿生矿化方法,将磷酸钙寡聚体(Calcium phosphate oligomers,CPO)与SH复合形成透明质酸钠复合材料(SH-CPO),对SH-CPO的形貌、结构、流变学特性及压缩性能进行了测试与表征。结果表明:SH不仅与CPO具有良好的相互作用,能形成内部结构连续的复合材料,还能诱导CPO发生从无定形到结晶相的转变;在SH与CPO的质量比为1∶1~1∶10范围内,随着CPO投料比例的增加,制备的SH-CPO复合材料的黏度得到提升,压缩强度可达到53.5 MPa。该研究制备的SH-CPO复合材料具有良好的力学性能,在生物医学材料领域中具有良好的应用潜力。

生物与仿生材料表面浸润动力学

天然生物材料表面具有精巧的多尺度分级结构、优异的理化性能、高效的生物功能,探寻生物材料表面的“化学成分-几何结构-力学性能-生物功能”之间的内在关联,是生物材料力学与仿生力学研究的一个核心任务,也是力学、生物学、化学、物理学等多学科交叉研究的一个前沿课题。生物与仿生材料表面的固液接触、黏附、撞击等浸润动力学过程在自然界及诸多工程领域中广泛存在,相关研究不仅为自清洁、抗结冰、热冷却等材料的设计与制备提供指导,而且可应用于病菌防治、高精度喷墨打印、液滴操控等领域。本研究主要关注生物与仿生材料表面浸润动力学,通过构建固液动态浸润的力学理论与数值模拟方法,研究固液界面的相互作用以及高度耦合的变形行为。该项研究阐释了液滴在柔性表面、微图案表面及高速表面等的动力学及其调控机制,并在材料、信息、能源传输及软体机器人等领域取得了相关应用。

新型仿生纳米自分层防腐梯度材料在钢轨及扣件的试验与应用

随着铁路工务养修技术的迅猛发展和日臻成熟,钢轨的使用寿命得到了极大的延长。然而,由于钢轨长期裸露在大气环境中,钢轨腐蚀不仅制约着其寿命,也给铁路运输安全带来了重大隐患。因此,如何减缓或阻止钢轨及扣件锈蚀、全方位延长其寿命非常重要。对新型仿生纳米自分层防腐梯度材料和市售涂料进行了性能对比试验,并在沿海地区的隧道内、外铁路钢轨及扣件上进行了现场试验,以验证其防腐作用。根据钢轨的不同场景设计了不同的工装,提高涂覆效率,以期提供更好的解决方案。

纺织结构仿生材料研究与应用进展

纺织材料可加工性强,产品多种多样,应用广泛。同时,仿生科学的迅速发展备受关注。纺织工程与仿生科学结合逐渐紧密,纺织结构仿生材料因其性能优异、可设计性强成为当前研究的热点之一。为了促进纺织结构仿生材料的深入研究与广泛应用,从纤维仿生、织物仿生、复合材料仿生3个方面综述了国内外纺织结构仿生材料的研究现状,总结了其在医疗、军事、防护等领域的应用,展望了未来研究重点及发展趋势。目前,仿生纺织材料存在微观机理分析不成熟、复杂无序、结构难以织造以及研究成果难以产业化等问题。因此,认为应推动新型纺织技术与功能性原料结合,探索多尺度表征材料多级结构的方法,加快推进研究成果落地。研究结果可为纺织结构仿生材料的研发与应用提供参考,进一步提升其功能性、稳定性与普适性。

轻质复合材料仿生夹芯结构研究进展

轻质复合材料夹芯结构由薄而强的面板和轻质多孔的芯子组成,其芯子结构的多样性推动着夹芯结构的发展。在自然界中,各类生物在长期的进化过程中形成了最适宜其生存和繁衍的生物结构,其中高强度结构启发了科研人员对夹芯结构芯子进行仿生设计。本文对水中动物、陆地动物、飞行动物以及植物果实、根茎、叶脉的仿生夹芯结构研究现状进行了综述,阐述了仿生复合材料夹芯结构芯子及拓扑结构的设计理念。介绍了复合材料仿生夹芯结构对力学性能的改进和在相关工程中的应用。最后,基于仿生复合材料夹芯结构的发展现状,提出了科学挑战,并进行了展望。

复合材料仿生/超生微结构设计及力学表征

在复合材料微结构设计方面,大自然给我们提供了很好的范本。无论是珍珠母、海螺还是甲壳类生物均通过合理的微结构设计,突破了“强度和韧性,此消彼长”的限制,这为纤维增强树脂基复合材料的力学微结构设计提供了参考范本。另一方面,随着预浸料制备技术的逐渐发展,单层碳纤维面密度可实现低至20 g,这为复合材料提供了极大设计空间。此外,其优异的分层损伤抑制特性为复合材料的力学性能提升提供了新的可能。本报告创新性地将仿生与超薄铺层相结合,探索了两者结合的多种可能方案。此外,将多种仿生微结构继续混合设计并提出了超生设计策略,即将具有防御机制的海螺三层正交微结构与具有进攻机制的螺旋微结构继续力学杂交设计,新的微结构的强度和韧性均有大幅度提升。综合来看薄层化为仿生化提供了制备技术,仿生化为薄层化提供了设计灵感。两者紧密相连,相辅相成,为高性能复合材料的仿生设计提供了新的途径。

基于仿生控冰材料的生物安全冷冻保存策略

冷冻保存技术是维持细胞、组织和器官活性的重要手段,实现安全有效的冷冻保存会为生物科学和临床医学研究带来历史性的变革。传统的小分子冷冻保护剂(如二甲基亚砜(DMSO))在冷冻保存过程中发挥着重要作用,但它在分子、亚细胞、细胞以及组织器官和个体层面的结构破坏作用和生物毒性,使其在冷冻保存中的应用受到很大的局限。探讨并总结了DMSO的毒性以及当前研究者在冷冻保存领域中努力探索的新型控冰材料,特别是受自然界极端环境中耐寒生物的启发而创制的一系列具有良好生物相容性的仿生控冰材料,概述了控冰材料的发展历程,分析了仿生控冰材料等新型控冰材料在生物样本冷冻保存中的优势、挑战,并展望了未来的发展趋势。

化学“101计划”合成化学实验课程建设——仿生超疏水功能材料的合成与性能

仿生超疏水功能材料属于新兴的跨学科交叉研究领域,涉及化学、材料科学、物理学等多个学科的原理和技术,在自清洁、防腐蚀、防污减阻等领域展现出独特的应用潜力。该研究领域发展迅速,但传统实验教材内容相对滞后,不能及时反映该领域最新的科学进展和理论。本实验课程依托教育部化学“101计划”合成化学实验课程,以仿生超疏水功能材料的合成与性能研究教学实验为例,介绍仿生超疏水功能材料前沿研究,凝练适合拔尖创新人才培养的实验课程,为该领域的教学实践提供理论和实证支持,提升基础学科人才培养质量。

仿生心肌微环境介导的材料生物学研究

心肌梗死是由冠状动脉阻塞所引起的心肌缺氧坏死,其发病率和病死率居高不下。近年研究发现,利用组织工程手段仿生构建心肌微环境能有效改善心肌梗死区微环境,对心肌的再生能力有着重要的调控作用,能在一定程度上促进心肌再生,有望成为将来治疗心肌梗死的新方向。然而,由于对仿生心肌微环境和机体微环境交互作用、引发的生物学效应及作用机制不清楚,直接影响心肌损伤修复的过程和质量。因此,阐明仿生心肌微环境在心肌损伤修复过程中的交互作用过程及其介导的生物学效应迫在眉睫。该文系统性综述了仿生心肌微环境的构建策略及植入体内后介导的生物学效应,包括免疫调控效应、促血管再生效应以及再生协同效应等,为新型心肌补片的仿生设计和临床应用提供理论支持。

《仿生材料》前沿案例教学改革实践与探索

本课程以东华大学材料科学与工程学院学术型硕士研究生为教学对象。为适应新时期的研究生培养需求,笔者探索将学科前沿进展案例教学引入《仿生材料》课程。本文聚焦探讨在“结构仿生材料”和“行为过程和加工方法仿生”教学主题内开展案例教学,同时将社会主义核心价值观以课程思政的方式融入其中,基于润物细无声的方式同时提升学生的专业素养和人文素养。相关案例教学有助于激发学生探索未知世界、开发新型仿生材料的热情和积极性,并为培养兼具优秀专业和人文素养的终身学习型人才贡献力量。