一、寫在文前

生物仿生結(jié)構(gòu)可以有效地提高材料的力學(xué)性能，但很難在金屬體系中構(gòu)建。生物仿生金屬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系也不清楚。本文通過將純Mg熔體無壓滲透到三維（3-D）打印Ti-6Al-4V支架中制備Mg- Ti復(fù)合材料。其結(jié)果是復(fù)合材料的組成部分是連續(xù)的，在三維空間中相互滲透，并通過生物啟發(fā)的實(shí)體、bouigand和交叉層狀結(jié)構(gòu)展示特定的空間安排。這些結(jié)構(gòu)促進(jìn)了有效的應(yīng)力傳遞、非局域損傷和止裂，因此比采用離散增強(qiáng)的復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和延性。此外，它們還激活了一系列外部增韌機(jī)制，包括裂紋變形/扭轉(zhuǎn)和未裂紋-韌帶橋接，使裂紋尖端免受外加應(yīng)力的影響，并導(dǎo)致形的斷裂抗力r曲線上升。

根據(jù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性，采用經(jīng)典層壓理論建立了復(fù)合材料剛度與強(qiáng)度的定量關(guān)系。強(qiáng)度和斷裂韌性是結(jié)構(gòu)材料的兩大重要力學(xué)性能，但它們之間往往存在互斥關(guān)系。通過吸取天然生物材料的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的生物靈感設(shè)計(jì)已經(jīng)成為提高人造材料性能的有效途徑；特別是，這種設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和斷裂韌性的協(xié)同增強(qiáng)提供了新的機(jī)遇。在這方面，由于聚合物材料的復(fù)合體系易于成型、加工，所以眾多的生物仿生結(jié)構(gòu)通過聚合物材料來實(shí)現(xiàn)。具體來說，聚合物的簡單增材制造，例如直接書寫，使它們成為探索生物材料和生物仿生材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理想原型。

然而，這些材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用往往受到其低強(qiáng)度和較差的熱阻的限制。因此，相對(duì)于其他材料，聚合物材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的適用性也存在疑問，這主要?dú)w因于它們的變形機(jī)制截然不同。與聚合物相比，用金屬材料構(gòu)建生物仿生結(jié)構(gòu)更具挑戰(zhàn)性。這在很大程度上是由于在傳統(tǒng)的制造工藝中，金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)控制困難，通常涉及高溫和高壓。

到目前為止，大多數(shù)生物仿生金屬材料僅限于那些具有珍珠狀結(jié)構(gòu)的材料，這些結(jié)構(gòu)是通過粉末冶金技術(shù)在金屬基質(zhì)中定向非等距增強(qiáng)材料，如石墨烯和陶瓷顆粒。然而，在Cu-W和Mg-Ti系統(tǒng)中，通過將金屬熔體滲透到另一種熔點(diǎn)更高的金屬的纖維環(huán)境中來制造魚鱗狀結(jié)構(gòu)，最近也出現(xiàn)了一些研究報(bào)告。

以選擇性激光或電子束熔化的三維3D打印為代表的金屬增材制造技術(shù)，為自下而上的金屬材料加工提供了一種強(qiáng)有力的方法，類似于自然界中的方法。它們?cè)谥圃炀哂袕?fù)雜預(yù)先設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的多孔金屬支架方面特別有效，從而為實(shí)現(xiàn)生物靈感設(shè)計(jì)提供了新的機(jī)會(huì)。各種生物仿生結(jié)構(gòu)被用于優(yōu)化金屬復(fù)合材料的機(jī)械性能。然而，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在密集的金屬材料中會(huì)受到一下因素的限制。

第一，金屬增材制造技術(shù)在很大程度上局限于單一的材料系統(tǒng)（或單一的成分，即使它是由多個(gè)組件或成分組成的）；當(dāng)涉及到兩種或兩種以上的成分時(shí)，這個(gè)過程會(huì)變得非常復(fù)雜。相比之下，自然界中的大多數(shù)生物材料至少包括兩種具有明顯不同硬度的成分，并且柔韌兩種成分通常是雙連續(xù)的，在三維空間中拓?fù)湎嗷ミB接，形成特定的互穿相結(jié)構(gòu)；類似的結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過3D打印在聚合物復(fù)合材料中構(gòu)建，并被證明可以有效地增強(qiáng)材料的性能。比如剛度、強(qiáng)度、斷裂韌性和能量耗散能力等，但在3D打印金屬材料中很少實(shí)現(xiàn)。

第二，盡管直接比較不同類型的生物仿生材料的力學(xué)性能對(duì)其設(shè)計(jì)的選擇至關(guān)重要，但這還沒有在金屬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。

第三，結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，以改善性能，但這在很大程度上仍然不清楚的生物仿生金屬材料的不同結(jié)構(gòu)。目前而言，生物仿生結(jié)構(gòu)可以有效地提高材料的力學(xué)性能，但很難在金屬體系中構(gòu)建。生物仿生金屬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系也不清楚。

鑒于此，中國科學(xué)院金屬研究所Mingyang Zhang、加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系Robert O. Ritchie等人，提出了一種兩步法來合計(jì)和制備滿足所有要求的仿生復(fù)合材料。

首先設(shè)計(jì)了三種類型的生物靈感材料：

（i）模仿珍珠層的磚瓦結(jié)構(gòu)；

（ii）扭曲的膠合板或模仿節(jié)肢動(dòng)物外骨骼的bouigand結(jié)構(gòu)；

（iii）模仿海螺或雙殼動(dòng)物殼的交叉板層結(jié)構(gòu)；

其次，通過3D打印來制備設(shè)計(jì)的Ti-6Al-4V支架，將Mg無壓滲透到支架中形成Mg-Ti復(fù)合材料。這些結(jié)構(gòu)促進(jìn)了有效的應(yīng)力傳遞、非局域損傷和止裂，因此比采用離散增強(qiáng)的復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和延性。此外，它們還激活了一系列外部增韌機(jī)制，包括裂紋變形/扭轉(zhuǎn)和未裂紋-韌帶橋接，使裂紋尖端免受外加應(yīng)力的影響，并導(dǎo)致形的斷裂抗力r曲線上升。根據(jù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性，采用經(jīng)典層壓理論建立了復(fù)合材料剛度與強(qiáng)度的定量關(guān)系。相關(guān)成果以題為“On the damage tolerance of 3-D printed Mg-Ti interpenetrating-phase composites with bioinspired architectures”發(fā)表在了頂刊Nature communication。

二、圖文速遞

2.1仿生復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備

圖1. 3D打印和澆筑法制備Mg-Ti復(fù)合仿生材料

▲1-圖解：本文還介紹了自然界中具有代表性的生物原型的結(jié)構(gòu)，分別是鮑魚的外殼、螳螂蝦和雙殼軟體動(dòng)物的實(shí)體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)模型。（a）磚-瓦結(jié)構(gòu)、（b）Bouligand結(jié)構(gòu)和（c）交叉板層結(jié)構(gòu)。中間是復(fù)合材料的三維XRT顯微圖，右邊一列為通過澆筑成型后復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。

2.2 仿生復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)

圖2. 仿生Mg-Ti復(fù)合材料的微觀組織、相組成和元素分布

▲2-圖解：生物鎂鈦復(fù)合材料的微觀組織、相組成和元素分布。Mg-Ti復(fù)合材料顯微圖、Ti-6Al-4V增強(qiáng)體顯微圖、Mg基體顯微圖以及Mg與Ti-6Al-4V相界面區(qū)域顯微圖。D：Mg基體晶粒內(nèi)（上）和晶界處（下）的微區(qū)XRD譜圖。E：EDS測(cè)量得到的元素Mg、Al、Ti、Si、V在c中圖像所對(duì)應(yīng)區(qū)域的面積分布

顯示了Mg和Ti-6Al-4V組分及其界面處的精細(xì)組織、相組成和元素分布，其中以交叉層狀結(jié)構(gòu)為例（這些特征在三種結(jié)構(gòu)中是相同的）。研究發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V增強(qiáng)體呈現(xiàn)出由α-Ti和β-Ti相組成的精細(xì)籃狀織構(gòu)（圖2a, b）。這種結(jié)構(gòu)被證明能夠有效阻止裂紋在合金中的擴(kuò)展，從而有利于提高斷裂韌性。確實(shí) ，Ti-6Al-4V相在熔融滲透前后表現(xiàn)出相似的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能（通過納米壓痕測(cè)試確定），即在3d打印支架和滲透復(fù)合材料中（補(bǔ)充圖4）。這表明Ti-6Al-4V相的材料性能基本不受熔融滲透過程的影響。

2.3 仿生復(fù)合材料的拉伸特性和損傷特性

圖3. 仿生鎂-鈦復(fù)合材料的拉伸行為和損傷特性

▲3-圖解：圖3三種不同結(jié)構(gòu)的Mg-Ti生物復(fù)合材料的單軸拉伸性能和損傷特性。a中插圖顯示了復(fù)合材料的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b為斷口形貌，以及拉伸試驗(yàn)的加載配置。c-e在（c）磚砂漿，（d）Bouligand和（e）交叉層狀結(jié)構(gòu)斷裂前卸載的拉伸樣品的SEM圖像和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）體積渲染圖。

如圖所示，生物仿生復(fù)合材料根據(jù)其特定結(jié)構(gòu)的不同，其斷裂形態(tài)存在較大差異。具體來說，磚瓦結(jié)構(gòu)的斷口相對(duì)平整，但有一排排Ti-6Al-4V磚的斷口裝飾。Bouligand結(jié)構(gòu)和交叉層狀結(jié)構(gòu)的斷裂面明顯呈現(xiàn)出增加的彎曲度，前者呈螺旋軌跡，后者呈周期性的鋸齒軌跡，兩者都與其成分的空間排列相一致。在圖3c-e中，通過在斷裂前卸載的樣品的二維和三維顯微圖，可以清楚地了解變形和損傷特征。磚砂漿結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很大程度的塑性變形局部化，裂縫出現(xiàn)在平面內(nèi)相對(duì)較窄的區(qū)域，幾乎垂直于拉伸方向（圖3c）。對(duì)于Bouligand結(jié)構(gòu)，裂紋路徑在不同纖維取向的層間呈螺旋狀扭曲（圖3d）；然而，在單個(gè)層內(nèi)，塑性變形仍然集中在裂紋附近。

2.4 不同材料拉伸性能的歸納對(duì)比

圖4. 不同材料拉伸性能的歸納對(duì)比

▲4-圖解：為了更好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果，通過考慮它們?cè)谙嘟M成上的差異，將其中一些屬性相對(duì)于密度進(jìn)行了規(guī)范化。生物仿生復(fù)合材料的強(qiáng)度明顯高于純Mg和Ti-6Al-4V支架，但延性較純Mg支架有所下降。磚-砂漿體系和Bouligand體系的強(qiáng)度和延性相似，但交叉層狀體系表現(xiàn)出了協(xié)同提升的性能，導(dǎo)致斷裂功比其他兩種體系增加了約2.7倍。在交叉結(jié)構(gòu)中的性能提升也是很明顯的，即使當(dāng)它們被密度歸一化，這清楚地暗示了交叉片層結(jié)構(gòu)材料具有顯著的機(jī)械效率。然而，三種結(jié)構(gòu)的楊氏模量變化不明顯。

2.5 仿生復(fù)合材料的層壓理論分析

圖5. 三種仿生結(jié)構(gòu)楊氏模量和強(qiáng)度的層壓理論分析

▲5-圖解：從受平面內(nèi)單軸拉伸的層板中的單個(gè)層板中提取的基本結(jié)構(gòu)單元的示意圖。單元的局部坐標(biāo)系和層板的全局坐標(biāo)系分別用（1,2）和（L1, L2）表示。b-d為生物材料（b）磚塊-砂漿，（c）Bouligand和（d）交叉片層結(jié)構(gòu)的組分空間排列示意圖，以及復(fù)合材料的楊氏模量E、屈服強(qiáng)度σYS和極限抗拉強(qiáng)度σUTS隨α、β和γ角的變化規(guī)律的理論結(jié)果。

通過結(jié)合它們的結(jié)構(gòu)特性，以建立其楊氏模量和強(qiáng)度的定量結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。如圖5a所示，對(duì)于受單軸面內(nèi)拉伸的層板復(fù)合材料，代表該復(fù)合材料組成層的層板之間的應(yīng)變是相同的。因此，整個(gè)層合板的楊氏模量可以根據(jù)Voigt模型的混合規(guī)則從單個(gè)層合板的楊氏模量得到。屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度也可以通過分別對(duì)應(yīng)于第一個(gè)和最后一個(gè)層板破壞的特定應(yīng)力來計(jì)算，即，假設(shè)層板的屈服和斷裂是由這些層板的破壞造成的。具體地說，盡管不同相之間存在交錯(cuò)，但是由于組分相對(duì)于加載方向的傾角在所有層板中基本上是相等的。因此，這些層板的特性可以用單個(gè)層板的特性來近似于磚-砂漿和交叉層板結(jié)構(gòu)。在這種情況下，制定每個(gè)薄片的機(jī)械性能是很重要的。

圖5b-d為三種生物仿生結(jié)構(gòu)（與實(shí)驗(yàn)相組成相同）楊氏模量和強(qiáng)度隨特定角度變化的分析結(jié)果。理論建?？梢院芎玫孛枋鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明上述分析和推導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系具有良好的有效性。我們注意到，通過數(shù)據(jù)擬合，所有復(fù)合材料沿2軸的結(jié)構(gòu)單元的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為70 MPa和140 MPa。這一數(shù)值高于鑄態(tài)純Mg的數(shù)值57。這是由于Ti-6Al-4V在Mg基體中的相互連接以及基體內(nèi)特別是晶界處金屬間相的析出造成的。

2.6 仿生復(fù)合材料的斷裂和沖擊韌性

圖6. 三種仿生復(fù)合材料的斷裂和沖擊韌性

▲6-圖解：圖顯示了j積分隨Δa裂紋擴(kuò)展的變化情況，對(duì)于具有不同結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料，以及插圖中所示的特定加載配置。根據(jù)ASTM E182059標(biāo)準(zhǔn)，使用冪律關(guān)系擬合有效的J-Δa數(shù)據(jù)（實(shí)心點(diǎn)），得到基于J的抗裂曲線（r曲線）。從圖中可以看出，隨著裂紋的擴(kuò)展，所有復(fù)合材料的r曲線都在不斷上升，但從曲線的斜率可以看出，r曲線的上升速率有所下降。在整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程中，交叉層結(jié)構(gòu)的斷裂韌性最高，r上升曲線也最大。其次是Bouligand結(jié)構(gòu)，而磚瓦結(jié)構(gòu)的是最低的，上升速度是最慢的。

圖6b展示了沿著不同方向加載的生物仿生復(fù)合材料的沖擊韌性，如插圖所示。只有跨片層結(jié)構(gòu)的沖擊韌性在統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在顯著差異表明不同的各向異性。其中，沖擊載荷平行于片層邊界時(shí)（即沿y軸在y-z平面上）產(chǎn)生的沖擊韌性最高。這正是紫癜鏈球菌自然原型雙殼殼中最常見的（在使用中）加載結(jié)構(gòu)，例如，由螳螂蝦攻擊造成的。無論是磚瓦結(jié)構(gòu)還是布里甘結(jié)構(gòu)，其沖擊韌性在不同方向上均未表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。然而，總的來說，在沖擊載荷條件下，交叉片層結(jié)構(gòu)和Bouligand結(jié)構(gòu)比實(shí)體砂漿結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固。只有當(dāng)沖擊載荷垂直于片層邊界時(shí)（即沿x軸在x-z平面上），跨片層結(jié)構(gòu)才存在例外。

2.7 仿生復(fù)合材料的斷裂和沖擊韌性

圖7. 三種仿生復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展形貌和增韌機(jī)理

▲7-圖解：Mg-Ti復(fù)合材料的裂紋形貌和增韌機(jī)理。生物材料（a）磚-砂漿，（b） Bouligand和（c）交叉層狀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性樣品的SEM圖像和CT體積渲染圖。對(duì)CT圖像進(jìn)行處理，濾除成分信號(hào)，突出裂紋區(qū)域。（b）中的白色箭頭表示裂紋尖端前面的微裂紋。（c）中的插圖放大了鋸齒狀裂紋路徑和箭頭所示的裂紋面之間的摩擦滑動(dòng)。

圖7為三種生物仿生復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性試樣的開裂形貌。通過濾除x射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）圖像中各成分的信號(hào)，裂縫的軌跡及其與三維空間結(jié)構(gòu)的相互作用可以被可視化。所有復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展都明顯偏離了直線路徑，出現(xiàn)了面內(nèi)（裂紋變形）和面外（裂紋扭曲）兩種模式。此外，所有的裂縫都是由其尖端后面的一些未開裂的韌帶連接起來的，這表現(xiàn)在裂縫輪廓中涉及的黑暗區(qū)域。然而，這些復(fù)合材料的裂縫變形/扭轉(zhuǎn)和橋接程度明顯不同，這取決于它們的特定結(jié)構(gòu)。對(duì)于磚瓦結(jié)構(gòu)來說，裂縫往往會(huì)穿透磚墻，導(dǎo)致有限的撓度和扭曲（圖7a）。

同時(shí)，裂紋的橋接只發(fā)生在靠近裂紋尖端的狹窄區(qū)域。由于Ti-6Al-4V纖維在層間的螺旋排列，Bouligand結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更明顯的裂紋扭曲（圖7b）。如箭頭所示，當(dāng)纖維從裂紋平面傾斜時(shí)，裂紋尖端前的微裂紋也促進(jìn)了裂紋橋接。相比之下，由于最顯著的裂紋變形和扭曲證據(jù)，交叉片層結(jié)構(gòu)在三維空間中顯示出最廣泛的裂紋區(qū)域（圖7c）。除了在薄片或?qū)又g的裂紋路徑的變化外，裂紋甚至在穿透開裂剖面中形成大量未開裂的韌帶；它們的作用是承載荷載，否則會(huì)被用來促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。裂紋的開口也受到裂紋面之間的摩擦滑動(dòng)和韌帶的拔出或斷裂的限制。所有這些特征表明，交叉片層結(jié)構(gòu)的增韌效率是三種生物仿生結(jié)構(gòu)中最顯著的，符合其最高的實(shí)測(cè)斷裂韌性。

2.8 仿生復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比

圖8. 三種仿生復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比

▲8-圖解：圖8不同結(jié)構(gòu)的Mg-Ti生物仿生復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比。a斷裂伸長率εF和屈服強(qiáng)度σYS=ρ的關(guān)系；b斷裂比功UF/ρ與比極限抗拉強(qiáng)度σUTS/ρ；c斷裂韌性KIc和沖擊韌性ακ。關(guān)于單軸拉伸、斷裂韌性和沖擊韌性測(cè)量的結(jié)構(gòu)的加載配置在插圖中說明。

復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一，相對(duì)弱鎂相的變形和開裂受組分間相互分配的限制，Mg和Ti-6Al-4V在三維空間的雙連續(xù)和互滲特性，使各相內(nèi)部和之間發(fā)生有效的應(yīng)力傳遞，從而使增強(qiáng)體具有較高的強(qiáng)化效率，所以延緩整個(gè)復(fù)合材料的斷裂。其次，特定的生物空間布局在復(fù)合材料中創(chuàng)造了一系列的外部增韌機(jī)制，特別是裂紋彎曲/扭轉(zhuǎn)和未斷裂韌帶橋接。這些機(jī)制主要作用于裂紋尖端后面，并起到保護(hù)裂紋尖端免受施加應(yīng)力的作用。由于裂紋不可避免地遇到Ti-6Al-4V增強(qiáng)體，裂紋尖端也容易出現(xiàn)微裂紋。此外，通過3d打印過程中形成的融合接頭實(shí)現(xiàn)的各組成層之間的互連對(duì)于避免復(fù)合材料的分層至關(guān)重要，從而確保上述結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化和增韌效果。相比之下，在沒有生物仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，開裂主要集中在磁合金基體和組分之間的界面。因此，對(duì)斷裂韌性的貢獻(xiàn)主要來自于本征增韌機(jī)制，而本征增韌機(jī)制與材料的塑性有關(guān)。

對(duì)于生物仿生復(fù)合材料，其力學(xué)性能表現(xiàn)出對(duì)其結(jié)構(gòu)類型和細(xì)節(jié)特征的強(qiáng)烈依賴。特別是，交叉片層結(jié)構(gòu)同時(shí)表現(xiàn)出最高水平的強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷裂功，以及斷裂韌性和沖擊韌性。這主要?dú)w因于它的等級(jí)性質(zhì)，而這種性質(zhì)在現(xiàn)在的磚瓦結(jié)構(gòu)或布利甘結(jié)構(gòu)中是不存在的。成分的取向在三個(gè)層次上不斷變化，分別對(duì)應(yīng)血小板、片層和層。在所有這些長度尺度上也存在豐富的界面。相比之下，磚與砂漿結(jié)構(gòu)和Bouligand結(jié)構(gòu)的（具體）強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂功都是可比性的（沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異）。盡管如此，由于增強(qiáng)了裂縫扭轉(zhuǎn)和無裂縫韌帶橋接的作用，Bouligand結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了比磚砂漿結(jié)構(gòu)更高的增韌效率。此外，所有這些仿生結(jié)構(gòu)的楊氏模量和強(qiáng)度都可以根據(jù)這里建立的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系進(jìn)行定量描述。這是通過調(diào)整經(jīng)典層壓板理論來結(jié)合它們的結(jié)構(gòu)特征和使用關(guān)鍵的特定角度α，β和γ對(duì)這些結(jié)構(gòu)的描述來實(shí)現(xiàn)的。

三、小結(jié)

綜上所述，通過將純Mg熔體無壓浸滲到3D打印的Ti-6Al-4V支架中，制備了3種不同結(jié)構(gòu)的鎂鈦復(fù)合材料，分別為生物仿生磚瓦結(jié)構(gòu)、bouigand結(jié)構(gòu)和交叉片層結(jié)構(gòu)。通過對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)特征、單軸拉伸性能、斷裂韌性和沖擊韌性的表征和比較，基于層合板理論建模分析其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，探索其與特定結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的增韌機(jī)制，可以得出以下結(jié)論。

（1）Mg和Ti-6Al-4V組分都是連續(xù)的，在三維空間中相互滲透，在生物仿生復(fù)合材料中表現(xiàn)出特定的空間排列，與自然原型中的結(jié)構(gòu)在質(zhì)量上一致。相鄰的加固層通過3d打印過程中形成的融合接頭相互連接。析出相出現(xiàn)在Mg的晶界和組分界面處。

（2）生物仿生復(fù)合材料的拉伸性能都優(yōu)于由離散Ti6Al-4V顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料，但與它們的特定結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。復(fù)合材料的楊氏模量和強(qiáng)度可以通過修改經(jīng)典層壓理論來制定，以納入其結(jié)構(gòu)特性，特別是與其成分的取向有關(guān)。這為生物仿生復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

（3）復(fù)合材料的r曲線呈Γ型，隨著裂紋的擴(kuò)展，j積分呈上升趨勢(shì)，j積分速率呈下降趨勢(shì)。生物仿生結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)了一系列外部增韌機(jī)制，包括裂紋變形/扭轉(zhuǎn)和未裂紋-韌帶橋接，以保護(hù)裂紋尖端免受應(yīng)力的影響。裂紋尖端的微裂紋進(jìn)一步促進(jìn)了這些機(jī)制的形成。當(dāng)沿不同方向加載時(shí)，只有交叉片層結(jié)構(gòu)的沖擊韌性表現(xiàn)出顯著的各向異性。

（4）在三種仿生結(jié)構(gòu)中，交叉片層結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)材料強(qiáng)度、損傷離域和抗裂紋擴(kuò)展方面效果最好。這種結(jié)構(gòu)賦予了復(fù)合材料最佳的力學(xué)性能組合，包括強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷裂功、斷裂韌性和沖擊韌性。這在很大程度上歸因于其層次結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，即構(gòu)成方向和接口的變化在不同的長度尺度上是活躍的。

該生物仿生鎂鈦復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。生物仿生結(jié)構(gòu)的顯著強(qiáng)化和增韌效率可進(jìn)一步用于開發(fā)新型生物仿生金屬材料?，F(xiàn)有的理論分析和加工路線可以為更精確、更高效地設(shè)計(jì)和構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)提供手段。







審核編輯：劉清