本文關(guān)鍵詞：異質(zhì)材料與微結(jié)構(gòu)耦合仿生設(shè)計(jì)及其3D打印　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：與傳統(tǒng)的工程材料相比,生物組織的優(yōu)勢是僅利用剛?cè)醿煞N異質(zhì)材料,通過精妙的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最優(yōu)化的耦合方式就能夠提高整體的力學(xué)性能和自適應(yīng)能力。以植物組織為例,剛性的纖維素與柔性的木質(zhì)素-半纖維素基體以特殊的微結(jié)構(gòu)(多孔結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)和非對稱纖維結(jié)構(gòu))耦合,不僅兼顧了輕質(zhì)、堅(jiān)韌和高穩(wěn)定性等力學(xué)性能(木細(xì)胞),還能驅(qū)動(dòng)播種器官隨環(huán)境濕度變化做可逆的變形運(yùn)動(dòng)(天竺葵種子)。這種異質(zhì)材料與微結(jié)構(gòu)的耦合不僅存在于微納尺度,還體現(xiàn)在介觀尺度(樹干年輪)和不同器官的連接界面(閉殼肌與殼)中。雖然這些特征分別屬于不同種生物,但其背后的核心機(jī)理是相通的。本文研究的目的和意義在于:將生物組織內(nèi)部的典型微結(jié)構(gòu)提取出來,經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯笈c簡化,建立相應(yīng)的仿生結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)一步地,應(yīng)用3D打印技術(shù)將剛?cè)岙愘|(zhì)材料與生物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元相耦合,建立一系列提高構(gòu)件綜合力學(xué)性能和自驅(qū)動(dòng)能力的仿生設(shè)計(jì)方法。具體的研究內(nèi)容可概括為以下幾點(diǎn):1.針對傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)桿件斷裂韌性不足的問題,模仿軟木的年輪結(jié)構(gòu),應(yīng)用多材料3D打印技術(shù)將均質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)改進(jìn)成由剛?cè)醿上喈愘|(zhì)材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在試樣長徑比相同的前提下,改進(jìn)后的復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)軸向和徑向的斷裂韌性分別提高了107.6%和143%。此外,還揭示了兩種異質(zhì)材料模量比與桿件整體斷裂模式間的關(guān)系,使多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更具靈活性。2.為彌補(bǔ)傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料承壓能力不足的缺陷,以軟木微觀的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)與3D打印,將剛性纖維、柔性基體與螺旋結(jié)構(gòu)相耦合,證明了在保持其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下,通過改變螺旋結(jié)構(gòu)的纖維角就可以調(diào)節(jié)仿生復(fù)合材料的力學(xué)性能。進(jìn)一步地,應(yīng)用這一規(guī)律設(shè)計(jì)了一種雙層螺旋結(jié)構(gòu)來對復(fù)合材料進(jìn)行編程,有效的提升了它們的穩(wěn)定性和承壓能力。3.為了使仿生復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)更加智能的自驅(qū)動(dòng)功能,利用顯微CT技術(shù)獲取了天竺葵種子芒部的三維結(jié)構(gòu),進(jìn)而提煉出相應(yīng)的仿生結(jié)構(gòu)模型和復(fù)合材料力學(xué)模型。之后,運(yùn)用有限元分析法解析了芒部的螺旋變形機(jī)理:組織內(nèi)層細(xì)胞壁的偏軸螺旋結(jié)構(gòu)使剛性纖維絲能夠引導(dǎo)彈性基體在收縮過程中同時(shí)產(chǎn)生一對彎矩和扭矩,在兩者的共同作用下組織細(xì)胞會(huì)做螺旋變形運(yùn)動(dòng)。這一原理為設(shè)計(jì)新型自驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料提供了理論基礎(chǔ)。4.運(yùn)用多材料3D打印技術(shù)和灌注成型工藝的混合加工方法,以聚氨酯類吸濕膨脹彈性體為基體材料,研發(fā)了一種新的仿生4D打印技術(shù)。進(jìn)而,以天竺葵種子芒部的微結(jié)構(gòu)為仿生設(shè)計(jì)原型,應(yīng)用該技術(shù)制備了三種具有自驅(qū)動(dòng)功能的仿生復(fù)合材料。與現(xiàn)有的仿生4D打印材料相比,它們能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的非均勻彎曲、扭曲和螺旋變形,且具有更佳的力學(xué)性能。5.為了解決異質(zhì)材料連接時(shí)面臨的應(yīng)力集中問題,模仿蝦夷扇貝閉殼肌與殼體間的界面結(jié)構(gòu),運(yùn)用多材料3D打印技術(shù)制備了一種嵌入增強(qiáng)纖維矩陣的仿生異質(zhì)材料連接結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明:通過合理優(yōu)化增強(qiáng)纖維的分布密度,可以有效的緩解了應(yīng)力集中效應(yīng),提高界面的連接強(qiáng)度。綜上所述,本文針對構(gòu)件對優(yōu)越性能的實(shí)際需求,對軟木介觀的多孔結(jié)構(gòu)及微觀的螺旋結(jié)構(gòu)、天竺葵種子芒部的偏螺旋結(jié)構(gòu),以及蝦夷扇貝閉殼肌與殼體間的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取,并應(yīng)用3D打印技術(shù),以剛?cè)岙愘|(zhì)材料為原料對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)與制備。這種3D打印與仿生設(shè)計(jì)相結(jié)合的新方法,在開發(fā)高新復(fù)合材料、微型致動(dòng)器和異質(zhì)先進(jìn)材料連接等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB17

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