自然界中的生物體在長期的自然選擇與進化過程中，其組成材料的組織結構與性能得到了持續優化與提高，從而利用簡單的礦物與有機質等原材料很好地滿足了復雜的力學與功能需求，使得生物體達到了對其生存環境的最佳適應。大自然是人類的良師。天然生物材料的優異特性能夠為人造材料的優化設計，特別是高性能仿生材料的發展提供有益的啟示。其中，功能梯度設計是生物材料普遍采用的基本性能優化策略之一。揭示自然界中的梯度設計準則與相應的性能優化機理對于指導高性能仿生梯度材料設計并促進其應用具有重要意義。
近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰課題組的劉增乾與加州大學伯克利分校教授Robert O. Ritchie及加州大學圣地亞哥分校教授Marc A. Meyers合作，揭示了生物組織與材料中廣泛存在的梯度結構取向特征，并提煉出了一種提高材料接觸損傷抗力的仿生設計新思路，即通過控制微觀組織結構取向獲得梯度變化的力學性能，實現局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高整體的力學性能，如圖1所示。通過力學分析與數值模擬，他們建立了結構取向與各力學性能之間的定量關系，闡明了材料損傷抗力提高的機理，并指出了相應仿生梯度結構的設計方法。
圖1. 天然生物材料通過梯度結構取向實現局域力學性能的優化分布與匹配，從而提高了材料的接觸損傷抗力
在此基礎上，他們進一步總結了自然界中常見的基本功能梯度材料設計形式與原則，并以典型的生物材料為例，按照組成與成分、組織結構（包括結構單元的排列方式、空間分布、尺度和取向）、界面以及不同類型梯度在多級結構尺度的結合與匹配的思路對生物材料中的梯度進行了具體表述與分析，歸納了梯度設計在材料性能優化中所起的作用和相應機制，如圖2所示。同時，他們總結了近年來仿生梯度材料設計與應用方面取得的最新進展，特別是對3D打印等新型材料制備技術在仿生梯度材料領域的應用進行了討論，并指出了未來天然生物與仿生梯度材料研究亟待解決的關鍵科學問題以及面臨的挑戰。
圖2. 功能梯度材料中局域性能與位置的關系以及天然生物材料中的基本功能梯度設計形式與原則
該研究得到金屬所“引進優秀學者”和美國空軍科學研究辦公室Multidisciplinary University Research Initiative項目資助。相關成果于近期發表于Acta Biomaterialia 44 (2016) 31-40和Progress in Materials Science
論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642517300543
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