基于微纳尺度组装单元构筑高性能仿生结构材料的研究
发布时间：2020-09-02 09:28
自然生物结构材料尽管由脆弱的无机矿物和柔软的高分子构成,但凭借着其精致的多尺度分级结构和界面设计,往往可展现远超出自身组分几个数量级的优异性能。这种在温和的条件下由受限的材料组分实现的多级有序结构和性能放大化,使自然结构材料日渐成为材料学家追求的模型。研究者解析自然材料的多级次构造及构效关系,提取仿生设计原理,利用丰富的合成组装单元,发展仿生策略,期望设计出超越现有工程材料的新型仿生结构材料。尽管已取得系列进展,但构筑真正面向实际应用的宏观三维仿生结构块材并同时实现对其微纳结构和界面的精准设计与调控仍然具有挑战性,实现高性能仿生结构材料的应用推广仍面临着许多关键科学问题和技术问题。深入发展温和、高效和可控的仿生多级有序组装和界面设计策略将有助于推进仿生结构材料的实用化步伐。本论文着眼于这一点,以多种高性能自然生物结构材料为指引,首先分析了巨骨舌鱼鳞片、螳螂虾锤头、骨骼和贝壳珍珠母等生物结构材料的基本构筑单元、多级次有序结构及其与其优异性能的关系,进而从仿生组装单元和仿生设计策略两方面综述了近年来仿生结构材料的进展情况。针对现有的局限和问题,进一步探索开发了多种温和、高效和普适的仿生组装和界面设计策略,对不同维度的微纳结构单元进行了宏观尺度下的仿生组装设计与精细调控,最终实现了几种高性能仿生结构材料的宏量可控构筑与制备。所取得的主要研究成果总结如下:1.受天然巨骨舌鱼鳞片等的微纳纤维螺旋胶合板结构和强韧化机制的启发,发展了一种刷涂与螺旋层积相结合的普适性仿生组装策略,实现了在宏观尺度上灵活操控一维微纳米纤维的空间取向,以羟基磷灰石微纤维为组装基元并结合海藻酸钠,成功将自然材料的多级胶合板结构和强韧化机制复制至人工合成材料体系,并首次构筑了具有高损伤容忍能力的宏观体相仿生盔甲防护结构材料。2.受天然贝壳珍珠母的“砖-泥”层状结构和强韧化机制的启发,发明了一种宏量制备基于二维微纳米薄片仿生组装单元的高性能、大尺寸且结构精细的人工珍珠母块材的方法。该仿生策略具有温和、灵活、高效、可放大和普适等优势,为设计制备面向实际应用的先进仿生结构材料块体奠定了方法学基础。3.受天然贝壳珍珠母的多级次界面结构和优越性能的启发,提出了一种多尺度聚合物基软硬双网络界面设计的概念,在温和高效的仿生组装过程中运用之可操控超薄纳米片结构单元的界面微环境,进而精确调控所组装构筑的宏观三维仿生纳米复合材料的综合性能。多级界面优化后的仿生复合材料展现了卓越的界面增强效率、机械性能、抵抗湿气塑化能力和热稳定性。所提出的仿生软硬界面设计策略条件温和而且方法普适,为今后构筑更多高性能仿生结构材料提供了新途径。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB391
【部分图文】：
逑显微镜、同步辐射小角Ｘ射线散射、原位拉伸加载实验、穿刺实验和分子动力逡逑学模拟等手段，分析了淲片的多尺度构造（图１．１）并深入揭示了该类鱼能够抵逡逑御水虎鱼攻击的机制（图１．２）。研宄发现，淲片除了具有高度矿化的外部硬质层逡逑夕卜，还具有由磷酸钙纳米粒子矿化的胶原纤维螺旋排布而成的胶合板微纳结构。逡逑这种特殊的螺旋构造使鱼淲在受到外来载荷时，其内部的纤维片层发生重新定向逡逑行为，其中大多数纤维薄片朝向拉伸轴定向并且通过拉伸／滑动机制在张力作用逡逑下发现变形，而其他纤维薄片则逐渐旋转远离拉伸轴并呈现压缩趋势，正是这种逡逑独特的结构及其复杂的形变机制（如拉伸、旋转、脱层和压缩等）使巨骨舌鱼淲逡逑片拥有抵抗突然失效、吸收大量能量并抑制裂纹扩张延伸的损伤容忍能力逡逑３逦Ａｒ＾ｊａｖｎａ逦Ｃ逦Ｓｃ？ｉ＊邋ｃｎ＞￥９－＞？ｃｔ＞ｏｎ逦？逦ｃｏｌｔｏｇｅｒ，逡逑／，＝‘一逡逑ｂ邋Ｏｖ？ｒｉａｐｐ＾邋ＡｔＭｐａｔｍＭ邋ｖ＾ｕ＊ｓ逦Ｔ0Ｒ逡逑ｄ邋Ｂｏｕｆｃｇｗ＾ｔｙｐ＊邋＊？ｆａｎｇ＊ｎ＊0？逡逑图１．１巨骨舌鱼及其鳞片的多尺度结构。（ａ）巨骨舌鱼的数码照片；（ｂ）巨骨舌鱼交叠的鱼逡逑鳞片的数码照片；（ｃ）巨骨舌鱼鳞片的横截面的扫描电子显微镜照片
逑显微镜、同步辐射小角Ｘ射线散射、原位拉伸加载实验、穿刺实验和分子动力逡逑学模拟等手段，分析了淲片的多尺度构造（图１．１）并深入揭示了该类鱼能够抵逡逑御水虎鱼攻击的机制（图１．２）。研宄发现，淲片除了具有高度矿化的外部硬质层逡逑夕卜，还具有由磷酸钙纳米粒子矿化的胶原纤维螺旋排布而成的胶合板微纳结构。逡逑这种特殊的螺旋构造使鱼淲在受到外来载荷时，其内部的纤维片层发生重新定向逡逑行为，其中大多数纤维薄片朝向拉伸轴定向并且通过拉伸／滑动机制在张力作用逡逑下发现变形，而其他纤维薄片则逐渐旋转远离拉伸轴并呈现压缩趋势，正是这种逡逑独特的结构及其复杂的形变机制（如拉伸、旋转、脱层和压缩等）使巨骨舌鱼淲逡逑片拥有抵抗突然失效、吸收大量能量并抑制裂纹扩张延伸的损伤容忍能力逡逑３逦Ａｒ＾ｊａｖｎａ逦Ｃ逦Ｓｃ？ｉ＊邋ｃｎ＞￥９－＞？ｃｔ＞ｏｎ逦？逦ｃｏｌｔｏｇｅｒ，逡逑／，＝‘一逡逑ｂ邋Ｏｖ？ｒｉａｐｐ＾邋ＡｔＭｐａｔｍＭ邋ｖ＾ｕ＊ｓ逦Ｔ0Ｒ逡逑ｄ邋Ｂｏｕｆｃｇｗ＾ｔｙｐ＊邋＊？ｆａｎｇ＊ｎ＊0？逡逑图１．１巨骨舌鱼及其鳞片的多尺度结构。（ａ）巨骨舌鱼的数码照片；（ｂ）巨骨舌鱼交叠的鱼逡逑鳞片的数码照片；（ｃ）巨骨舌鱼鳞片的横截面的扫描电子显微镜照片
逡逑图１．３雀尾螳螂虾锤头的多级次结构表征。（ａ）邋—种通常的口足类动物平面图：（ｂ）雀尾螳逡逑螂虾放大的前端视图，箭头指示冲击表面锤头的位置；（ｃ）背散射扫描电子显微镜下的雀尾逡逑螳螂虾锤头的外部形态；（ｄ）微计算断层扫描纵切面（完整标本的前半部分）显示了锤头冲逡逑击区（Ｄ）和锤头掌节区（Ｐ）的部分，揭示了它们的电子密度差异；（ｅ）截面分析表明了逡逑雀尾螳螂虾锤头主要包含三个典型的区域，即致密冲击区（蓝色区域）、周期区（含有中间逡逑红色部分和侧面的黄色部分）和条纹区（绿色区域），此外，掌节部分的周期区体现为橘黄逡逑色；（ｆ）雀尾螳螂虾锤头的数码照片，可分别呈现出外部冲击区、周期区和条纹区域；（ｇ）逡逑普通的螺旋结构三维模型；（ｈ）雀尾螳螂虾锤头的周期区的扫描电子显微镜照片；（ｉ）雀尾逡逑螳螂虾锤头的周期区抛光后的扫描电子显微镜照片；（ｊ）通过Ｘ射线散射分析可使几丁质纤逡逑维的螺旋定向更加形象化［１３］。逡逑一先－ｏａｙ＂＾＇一一逦＊逡逑。ｊ■．
本文编号：2810426
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB391
【部分图文】：
逑显微镜、同步辐射小角Ｘ射线散射、原位拉伸加载实验、穿刺实验和分子动力逡逑学模拟等手段，分析了淲片的多尺度构造（图１．１）并深入揭示了该类鱼能够抵逡逑御水虎鱼攻击的机制（图１．２）。研宄发现，淲片除了具有高度矿化的外部硬质层逡逑夕卜，还具有由磷酸钙纳米粒子矿化的胶原纤维螺旋排布而成的胶合板微纳结构。逡逑这种特殊的螺旋构造使鱼淲在受到外来载荷时，其内部的纤维片层发生重新定向逡逑行为，其中大多数纤维薄片朝向拉伸轴定向并且通过拉伸／滑动机制在张力作用逡逑下发现变形，而其他纤维薄片则逐渐旋转远离拉伸轴并呈现压缩趋势，正是这种逡逑独特的结构及其复杂的形变机制（如拉伸、旋转、脱层和压缩等）使巨骨舌鱼淲逡逑片拥有抵抗突然失效、吸收大量能量并抑制裂纹扩张延伸的损伤容忍能力逡逑３逦Ａｒ＾ｊａｖｎａ逦Ｃ逦Ｓｃ？ｉ＊邋ｃｎ＞￥９－＞？ｃｔ＞ｏｎ逦？逦ｃｏｌｔｏｇｅｒ，逡逑／，＝‘一逡逑ｂ邋Ｏｖ？ｒｉａｐｐ＾邋ＡｔＭｐａｔｍＭ邋ｖ＾ｕ＊ｓ逦Ｔ0Ｒ逡逑ｄ邋Ｂｏｕｆｃｇｗ＾ｔｙｐ＊邋＊？ｆａｎｇ＊ｎ＊0？逡逑图１．１巨骨舌鱼及其鳞片的多尺度结构。（ａ）巨骨舌鱼的数码照片；（ｂ）巨骨舌鱼交叠的鱼逡逑鳞片的数码照片；（ｃ）巨骨舌鱼鳞片的横截面的扫描电子显微镜照片
逑显微镜、同步辐射小角Ｘ射线散射、原位拉伸加载实验、穿刺实验和分子动力逡逑学模拟等手段，分析了淲片的多尺度构造（图１．１）并深入揭示了该类鱼能够抵逡逑御水虎鱼攻击的机制（图１．２）。研宄发现，淲片除了具有高度矿化的外部硬质层逡逑夕卜，还具有由磷酸钙纳米粒子矿化的胶原纤维螺旋排布而成的胶合板微纳结构。逡逑这种特殊的螺旋构造使鱼淲在受到外来载荷时，其内部的纤维片层发生重新定向逡逑行为，其中大多数纤维薄片朝向拉伸轴定向并且通过拉伸／滑动机制在张力作用逡逑下发现变形，而其他纤维薄片则逐渐旋转远离拉伸轴并呈现压缩趋势，正是这种逡逑独特的结构及其复杂的形变机制（如拉伸、旋转、脱层和压缩等）使巨骨舌鱼淲逡逑片拥有抵抗突然失效、吸收大量能量并抑制裂纹扩张延伸的损伤容忍能力逡逑３逦Ａｒ＾ｊａｖｎａ逦Ｃ逦Ｓｃ？ｉ＊邋ｃｎ＞￥９－＞？ｃｔ＞ｏｎ逦？逦ｃｏｌｔｏｇｅｒ，逡逑／，＝‘一逡逑ｂ邋Ｏｖ？ｒｉａｐｐ＾邋ＡｔＭｐａｔｍＭ邋ｖ＾ｕ＊ｓ逦Ｔ0Ｒ逡逑ｄ邋Ｂｏｕｆｃｇｗ＾ｔｙｐ＊邋＊？ｆａｎｇ＊ｎ＊0？逡逑图１．１巨骨舌鱼及其鳞片的多尺度结构。（ａ）巨骨舌鱼的数码照片；（ｂ）巨骨舌鱼交叠的鱼逡逑鳞片的数码照片；（ｃ）巨骨舌鱼鳞片的横截面的扫描电子显微镜照片
逡逑图１．３雀尾螳螂虾锤头的多级次结构表征。（ａ）邋—种通常的口足类动物平面图：（ｂ）雀尾螳逡逑螂虾放大的前端视图，箭头指示冲击表面锤头的位置；（ｃ）背散射扫描电子显微镜下的雀尾逡逑螳螂虾锤头的外部形态；（ｄ）微计算断层扫描纵切面（完整标本的前半部分）显示了锤头冲逡逑击区（Ｄ）和锤头掌节区（Ｐ）的部分，揭示了它们的电子密度差异；（ｅ）截面分析表明了逡逑雀尾螳螂虾锤头主要包含三个典型的区域，即致密冲击区（蓝色区域）、周期区（含有中间逡逑红色部分和侧面的黄色部分）和条纹区（绿色区域），此外，掌节部分的周期区体现为橘黄逡逑色；（ｆ）雀尾螳螂虾锤头的数码照片，可分别呈现出外部冲击区、周期区和条纹区域；（ｇ）逡逑普通的螺旋结构三维模型；（ｈ）雀尾螳螂虾锤头的周期区的扫描电子显微镜照片；（ｉ）雀尾逡逑螳螂虾锤头的周期区抛光后的扫描电子显微镜照片；（ｊ）通过Ｘ射线散射分析可使几丁质纤逡逑维的螺旋定向更加形象化［１３］。逡逑一先－ｏａｙ＂＾＇一一逦＊逡逑。ｊ■．
本文编号：2810426
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2810426.html
