复杂组分梯度仿生3D打印系统及其3D/4D打印应用研究
发布时间：2021-07-09 08:38
组分、结构呈梯度分布的现象广泛存在于生物材料中,多维空间非线性变化的复杂梯度设计,使生物材料具有坚而韧、轻而强、自适应等多种优异的功能特性。认识、理解生物材料复杂梯度构建原理,设计制造仿生梯度材料,是下一代先进材料的重要发展方向。虽然经过大量的研究,功能梯度材料（FGMs）的设计制造仍然面临巨大挑战,尤其是三维非线性梯度材料。新兴的增材制造（3D/4D打印）技术是一种数字化驱动的材料添加式成型技术,具有对材料成分、组织结构的潜在控制能力,使其成为最具潜力的梯度材料制造方法。但是,由于存在许多技术局限,现有3D打印技术很难制造出成分连续变化的梯度材料。因此,研究梯度3D打印原理与技术,实现材料的空间非线性分布,探索材料梯度变化引起的新性能,以满足各种工程需要,是发展未来先进材料迫切需要的。4D打印是指3D打印的材料和结构,在特定外激励条件下,其物理属性、功能和形状能够产生自发的、可编程变化的,集感知、控制及响应功能于一体的智能材料系统。4D打印具有高体积和高质量效率、高可靠性、自驱动及多功能等超越传统自动化系统的优势,具有广泛的应用前景,如软体机器人、生物医疗器件、药物缓控释及航空航天智...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
FGMs相关文献发表数量数据统计结果（数据来自于Scopus数据库）
[35]等，都能起到保护自身的作用。图1.2 具有化学成分梯度的生物器官（a）贻贝足丝[30, 31]（b）蜘蛛毒牙[32, 33]和金属离子相似，不同有机分子之间也能够形成共价交联键，从而控制非矿化有机材料的局部弹性模量。洪堡鱿鱼的喙部是一种典型的有机分子梯度分布的生物材料。鱿鱼喙部的尖端区域是生物材料中硬度最大、强度最高的非矿化材料之一。如图 1.3a 所示，刚性的尖端由于大量色素的沉积而呈现暗黑色；而与身体连接的柔性区域，未沉积色素，呈现透明态。从尖端向与身体连接的根部，呈现出色素沉积梯度减少的现象。研究表明，洪堡鱿鱼喙部的色素沉积现象是由于分子中邻苯二酚基的氧化现象产生黑色色素所引起的[36]。机械测试结果（图 1.3c）显示，色素沉积与其所处部位的刚度相关，未沉积色素区域的弹性模量较低，只有 50MPa，而色素大量沉积区域的弹性模量达到了 5000MPa。这种机械性能梯
是由于含有 DOPA 的蛋白质的含量梯度所造成的，这种蛋白质可以控制生物材料的水含量程度。图1.3 洪堡鱿鱼喙部的梯度现象[36, 37]（a）喙部结构及色素沉积梯度（b）不同化学成分梯度（c）机械性能梯度1.2.2 含水量梯度许多生物材料使用更为普遍的水分子来调控机械性能梯度。在生物材料系统中，水分子能够湿化高分子基体，从而减少分子内的连接脱水化合物水合键的力或者范德华力。例如，人的指甲盖当浸没在水中时会损失 60%的硬度[38]。相比湿润状态，干燥状态下的昆虫角质层其刚度和强度上也会呈现几个数量级的增长[39]。此外，在蟹壳[40]、人的骨骼[41]、哺乳动物的角膜[42]和前面所述的洪堡鱿鱼的喙部[37]中都存在由于水的存在引起的机械响应特性，表明水分子含量的变化可以产生机械性能的梯度变化。生物材料能够根据环境的变化，通过控制含水量的变化调节自身机械性能。Rhodnius，拉丁美洲的一种传播疟疾的吸血蚊子，会根据环境 pH 值的变化来调控某些蛋白质含量
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光熔化沉积技术在制备梯度功能材料中的应用[J]. 刘帅,王阳,刘常升. 航空制造技术. 2018(17)
[2]4D Printing:History and Recent Progress[J]. Jing-Jun Wu,Li-Mei Huang,Qian Zhao,Tao Xie. Chinese Journal of Polymer Science. 2018(05)
[3]4D打印技术在航空飞行器研制中的应用潜力[J]. 苏亚东,王向明,吴斌,王福雨,汪嘉兴,邢本东. 航空材料学报. 2018(02)
[4]羟基磷灰石功能梯度生物材料在硬组织中的应用[J]. 韦薇,舒婧嫒,王晶,郑丽霞,李璐,王青山. 中国组织工程研究. 2018(06)
[5]4D打印技术及其教育应用展望——兼论与“人工智能+教育”的融合[J]. 陈卫东,褚乐阳,杨丽,叶新东. 远程教育杂志. 2018(01)
[6]4D打印:智能材料与结构增材制造技术的研究进展[J]. 陈花玲,罗斌,朱子才,李博. 西安交通大学学报. 2018(02)
[7]功能化PMMA-g-PEO纳米纤维膜的制备与表征[J]. 刘新华,杨旭,李永,储兆洋,王翠娥. 化工新型材料. 2017(09)
[8]激光熔覆法制备镀铜石墨/铜梯度复合材料及性能研究[J]. 赵龙志,吴浩,陈静,赵明娟,张坚. 铸造技术. 2017(05)
[9]齿轮上的功能梯度材料应用研究[J]. 王立群. 中国高新技术企业. 2017(03)
[10]功能梯度材料在高可靠电磁继电器上的应用[J]. 陈白帆,陈俊峰. 机电元件. 2017(01)
硕士论文
[1]结构梯度海藻酸盐多孔材料的制备及性能调控[D]. 左文倩.青岛大学 2016
[2]激光熔覆制备SiCp/Cu梯度功能复合材料[D]. 王新国.华东交通大学 2015
本文编号：3273414
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
FGMs相关文献发表数量数据统计结果（数据来自于Scopus数据库）
[35]等，都能起到保护自身的作用。图1.2 具有化学成分梯度的生物器官（a）贻贝足丝[30, 31]（b）蜘蛛毒牙[32, 33]和金属离子相似，不同有机分子之间也能够形成共价交联键，从而控制非矿化有机材料的局部弹性模量。洪堡鱿鱼的喙部是一种典型的有机分子梯度分布的生物材料。鱿鱼喙部的尖端区域是生物材料中硬度最大、强度最高的非矿化材料之一。如图 1.3a 所示，刚性的尖端由于大量色素的沉积而呈现暗黑色；而与身体连接的柔性区域，未沉积色素，呈现透明态。从尖端向与身体连接的根部，呈现出色素沉积梯度减少的现象。研究表明，洪堡鱿鱼喙部的色素沉积现象是由于分子中邻苯二酚基的氧化现象产生黑色色素所引起的[36]。机械测试结果（图 1.3c）显示，色素沉积与其所处部位的刚度相关，未沉积色素区域的弹性模量较低，只有 50MPa，而色素大量沉积区域的弹性模量达到了 5000MPa。这种机械性能梯
是由于含有 DOPA 的蛋白质的含量梯度所造成的，这种蛋白质可以控制生物材料的水含量程度。图1.3 洪堡鱿鱼喙部的梯度现象[36, 37]（a）喙部结构及色素沉积梯度（b）不同化学成分梯度（c）机械性能梯度1.2.2 含水量梯度许多生物材料使用更为普遍的水分子来调控机械性能梯度。在生物材料系统中，水分子能够湿化高分子基体，从而减少分子内的连接脱水化合物水合键的力或者范德华力。例如，人的指甲盖当浸没在水中时会损失 60%的硬度[38]。相比湿润状态，干燥状态下的昆虫角质层其刚度和强度上也会呈现几个数量级的增长[39]。此外，在蟹壳[40]、人的骨骼[41]、哺乳动物的角膜[42]和前面所述的洪堡鱿鱼的喙部[37]中都存在由于水的存在引起的机械响应特性，表明水分子含量的变化可以产生机械性能的梯度变化。生物材料能够根据环境的变化，通过控制含水量的变化调节自身机械性能。Rhodnius，拉丁美洲的一种传播疟疾的吸血蚊子，会根据环境 pH 值的变化来调控某些蛋白质含量
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光熔化沉积技术在制备梯度功能材料中的应用[J]. 刘帅,王阳,刘常升. 航空制造技术. 2018(17)
[2]4D Printing:History and Recent Progress[J]. Jing-Jun Wu,Li-Mei Huang,Qian Zhao,Tao Xie. Chinese Journal of Polymer Science. 2018(05)
[3]4D打印技术在航空飞行器研制中的应用潜力[J]. 苏亚东,王向明,吴斌,王福雨,汪嘉兴,邢本东. 航空材料学报. 2018(02)
[4]羟基磷灰石功能梯度生物材料在硬组织中的应用[J]. 韦薇,舒婧嫒,王晶,郑丽霞,李璐,王青山. 中国组织工程研究. 2018(06)
[5]4D打印技术及其教育应用展望——兼论与“人工智能+教育”的融合[J]. 陈卫东,褚乐阳,杨丽,叶新东. 远程教育杂志. 2018(01)
[6]4D打印:智能材料与结构增材制造技术的研究进展[J]. 陈花玲,罗斌,朱子才,李博. 西安交通大学学报. 2018(02)
[7]功能化PMMA-g-PEO纳米纤维膜的制备与表征[J]. 刘新华,杨旭,李永,储兆洋,王翠娥. 化工新型材料. 2017(09)
[8]激光熔覆法制备镀铜石墨/铜梯度复合材料及性能研究[J]. 赵龙志,吴浩,陈静,赵明娟,张坚. 铸造技术. 2017(05)
[9]齿轮上的功能梯度材料应用研究[J]. 王立群. 中国高新技术企业. 2017(03)
[10]功能梯度材料在高可靠电磁继电器上的应用[J]. 陈白帆,陈俊峰. 机电元件. 2017(01)
硕士论文
[1]结构梯度海藻酸盐多孔材料的制备及性能调控[D]. 左文倩.青岛大学 2016
[2]激光熔覆制备SiCp/Cu梯度功能复合材料[D]. 王新国.华东交通大学 2015
本文编号：3273414
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