組分、結(jié)構(gòu)呈梯度分布的現(xiàn)象廣泛存在于生物材料中,多維空間非線性變化的復(fù)雜梯度設(shè)計,使生物材料具有堅而韌、輕而強(qiáng)、自適應(yīng)等多種優(yōu)異的功能特性。認(rèn)識、理解生物材料復(fù)雜梯度構(gòu)建原理,設(shè)計制造仿生梯度材料,是下一代先進(jìn)材料的重要發(fā)展方向。雖然經(jīng)過大量的研究,功能梯度材料（FGMs）的設(shè)計制造仍然面臨巨大挑戰(zhàn),尤其是三維非線性梯度材料。新興的增材制造（3D/4D打�。┘夹g(shù)是一種數(shù)字化驅(qū)動的材料添加式成型技術(shù),具有對材料成分、組織結(jié)構(gòu)的潛在控制能力,使其成為最具潛力的梯度材料制造方法。但是,由于存在許多技術(shù)局限,現(xiàn)有3D打印技術(shù)很難制造出成分連續(xù)變化的梯度材料。因此,研究梯度3D打印原理與技術(shù),實現(xiàn)材料的空間非線性分布,探索材料梯度變化引起的新性能,以滿足各種工程需要,是發(fā)展未來先進(jìn)材料迫切需要的。4D打印是指3D打印的材料和結(jié)構(gòu),在特定外激勵條件下,其物理屬性、功能和形狀能夠產(chǎn)生自發(fā)的、可編程變化的,集感知、控制及響應(yīng)功能于一體的智能材料系統(tǒng)。4D打印具有高體積和高質(zhì)量效率、高可靠性、自驅(qū)動及多功能等超越傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的優(yōu)勢,具有廣泛的應(yīng)用前景,如軟體機(jī)器人、生物醫(yī)療器件、藥物緩控釋及航空航天智... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

FGMs相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果（數(shù)據(jù)來自于Scopus數(shù)據(jù)庫）

[35]等，都能起到保護(hù)自身的作用。圖1.2 具有化學(xué)成分梯度的生物器官（a）貽貝足絲[30, 31]（b）蜘蛛毒牙[32, 33]和金屬離子相似，不同有機(jī)分子之間也能夠形成共價交聯(lián)鍵，從而控制非礦化有機(jī)材料的局部彈性模量。洪堡魷魚的喙部是一種典型的有機(jī)分子梯度分布的生物材料。魷魚喙部的尖端區(qū)域是生物材料中硬度最大、強(qiáng)度最高的非礦化材料之一。如圖 1.3a 所示，剛性的尖端由于大量色素的沉積而呈現(xiàn)暗黑色；而與身體連接的柔性區(qū)域，未沉積色素，呈現(xiàn)透明態(tài)。從尖端向與身體連接的根部，呈現(xiàn)出色素沉積梯度減少的現(xiàn)象。研究表明，洪堡魷魚喙部的色素沉積現(xiàn)象是由于分子中鄰苯二酚基的氧化現(xiàn)象產(chǎn)生黑色色素所引起的[36]。機(jī)械測試結(jié)果（圖 1.3c）顯示，色素沉積與其所處部位的剛度相關(guān)，未沉積色素區(qū)域的彈性模量較低，只有 50MPa，而色素大量沉積區(qū)域的彈性模量達(dá)到了 5000MPa。這種機(jī)械性能梯

是由于含有 DOPA 的蛋白質(zhì)的含量梯度所造成的，這種蛋白質(zhì)可以控制生物材料的水含量程度。圖1.3 洪堡魷魚喙部的梯度現(xiàn)象[36, 37]（a）喙部結(jié)構(gòu)及色素沉積梯度（b）不同化學(xué)成分梯度（c）機(jī)械性能梯度1.2.2 含水量梯度許多生物材料使用更為普遍的水分子來調(diào)控機(jī)械性能梯度。在生物材料系統(tǒng)中，水分子能夠濕化高分子基體，從而減少分子內(nèi)的連接脫水化合物水合鍵的力或者范德華力。例如，人的指甲蓋當(dāng)浸沒在水中時會損失 60%的硬度[38]。相比濕潤狀態(tài)，干燥狀態(tài)下的昆蟲角質(zhì)層其剛度和強(qiáng)度上也會呈現(xiàn)幾個數(shù)量級的增長[39]。此外，在蟹殼[40]、人的骨骼[41]、哺乳動物的角膜[42]和前面所述的洪堡魷魚的喙部[37]中都存在由于水的存在引起的機(jī)械響應(yīng)特性，表明水分子含量的變化可以產(chǎn)生機(jī)械性能的梯度變化。生物材料能夠根據(jù)環(huán)境的變化，通過控制含水量的變化調(diào)節(jié)自身機(jī)械性能。Rhodnius，拉丁美洲的一種傳播瘧疾的吸血蚊子，會根據(jù)環(huán)境 pH 值的變化來調(diào)控某些蛋白質(zhì)含量

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]激光熔化沉積技術(shù)在制備梯度功能材料中的應(yīng)用[J]. 劉帥,王陽,劉常升.  航空制造技術(shù). 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打印技術(shù)在航空飛行器研制中的應(yīng)用潛力[J]. 蘇亞東,王向明,吳斌,王福雨,汪嘉興,邢本東.  航空材料學(xué)報. 2018(02)
[4]羥基磷灰石功能梯度生物材料在硬組織中的應(yīng)用[J]. 韋薇,舒婧嬡,王晶,鄭麗霞,李璐,王青山.  中國組織工程研究. 2018(06)
[5]4D打印技術(shù)及其教育應(yīng)用展望——兼論與“人工智能+教育”的融合[J]. 陳衛(wèi)東,褚樂陽,楊麗,葉新東.  遠(yuǎn)程教育雜志. 2018(01)
[6]4D打印:智能材料與結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 陳花玲,羅斌,朱子才,李博.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2018(02)
[7]功能化PMMA-g-PEO納米纖維膜的制備與表征[J]. 劉新華,楊旭,李永,儲兆洋,王翠娥.  化工新型材料. 2017(09)
[8]激光熔覆法制備鍍銅石墨/銅梯度復(fù)合材料及性能研究[J]. 趙龍志,吳浩,陳靜,趙明娟,張堅.  鑄造技術(shù). 2017(05)
[9]齒輪上的功能梯度材料應(yīng)用研究[J]. 王立群.  中國高新技術(shù)企業(yè). 2017(03)
[10]功能梯度材料在高可靠電磁繼電器上的應(yīng)用[J]. 陳白帆,陳俊峰.  機(jī)電元件. 2017(01)

碩士論文
[1]結(jié)構(gòu)梯度海藻酸鹽多孔材料的制備及性能調(diào)控[D]. 左文倩.青島大學(xué) 2016
[2]激光熔覆制備SiCp/Cu梯度功能復(fù)合材料[D]. 王新國.華東交通大學(xué) 2015



本文編號：3273414