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刚柔梯度表界面取得系列进展

发布日期:2018-12-05  点击数:  作者:

“刚柔并济、相得益彰”是中华武术太极拳之精髓,也是自然界生物体保持优异力学性能的重要策略。如何将这一策略运用于人工材料的设计与制备,进而大大提高其承载能力和服役寿命,一直是生物力学与仿生领域的研究焦点和难点。近来,土木建筑工程学院复杂介质多尺度力学研究中心王正直课题组与国内外多学科学者合作,在此方向取得了系列进展,相关研究成果相继发表于工程技术领域著名学术期刊Materials Horizons(影响因子13.183)、ACS Nano(影响因子13.709)和Small(影响因子9.598)。论文的第一署名单位均为武汉大学,王正直是第一及通讯作者。该系列研究得到了国家自然科学基金青年项目、湖北省自然科学基金面上项目以及武汉大学自主科研项目(青年类和学科交叉类)的支持。

以具有优异力学性能的天然牙齿为原型,在精确表征其刚柔界面的力学梯度进而揭示其性能-功能间关系的基础上,王正直课题组发展了一种结合原位光聚合和磁场驱动的新技术,通过控制刚性纳米增强颗粒在柔性聚合物基体内的空间分布,实现了对聚合物基纳米复合材料局部刚度的梯度分布由微观到宏观的精准调控。利用该项技术,课题组设计并制备出仿牙齿本-釉连接层的刚柔渐进梯度界面、仿动物皮肤的外刚内柔梯度涂层以及仿昆虫粘附刚毛的外柔内刚梯度纤维阵列。通过实验测试和数值仿真相结合,发现刚柔梯度设计能够大大减小表界面区域的失配应力集中程度,进而在保持各自力学强度的同时,将其承受循环荷载的耐久性较均质表界面提高了近一个量级。

这一系列研究成果很好的诠释了自然界表界面的力学构造机理,不仅深入了人们对天然生物材料性能—功能间关系的认识,更为结构稳定、性能持久的仿生表界面提供了新的设计理念和制备方法,进而为解决多个材料力学性能互斥的难题和先进功能异构材料的制造提供了切实可行的途径。

据悉,王正直副教授一直从事具有多学科交叉特征的多尺度实验和生物力学研究,2015年正式到武汉大学工作,目前的研究方向主要集中在牙齿修复生物力学、基于光聚合的仿生微纳结构和聚合物基复合材料的调控与力学优化等。

相关论文链接:

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/mh/c7mh00223h

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b07493

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201802717