On the materials science of nature's arms race
1
2018
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
Battle in the Amazon: Arapaima versus Piranha
3
2012
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 生活在亚马逊河中的巨骨舌鱼是世界上体型最大的淡水鱼之一.如图1 b所示，它的全身披覆着坚韧的鳞片，可有效抵御食人鱼的捕食[2 ] .巨骨舌鳞片外层高度矿化，内部由厚度约为50 μm的胶原蛋白层交叉堆叠而成，各胶原蛋白层由直径约100 nm的胶原纤维以纤维束的形式组成，在外力作用下这些胶原纤维的取向能原位调整[2 , 3 , 22 ] .如图3a 、3b 所示，胶原纤维在拉伸变形过程中大多偏向拉伸轴，而在压缩变形过程中大多偏离压缩轴.这种结构再取向现象也存在于很多其他生物材料中，其组元在变形过程中通过拉直、伸长、界面剪切等微观机制发生原位取向变化以适应外加载荷，从而有助于提高材料的灵活性[35 ~39 ] . ...
... [2 , 3 , 22 ].如图3a 、3b 所示，胶原纤维在拉伸变形过程中大多偏向拉伸轴，而在压缩变形过程中大多偏离压缩轴.这种结构再取向现象也存在于很多其他生物材料中，其组元在变形过程中通过拉直、伸长、界面剪切等微观机制发生原位取向变化以适应外加载荷，从而有助于提高材料的灵活性[35 ~39 ] . ...
A comparative study of piscine defense: the scales of Arapaima gigas , Latimeria chalumnae and Atractosteus spatula
1
2017
... 生活在亚马逊河中的巨骨舌鱼是世界上体型最大的淡水鱼之一.如图1 b所示，它的全身披覆着坚韧的鳞片，可有效抵御食人鱼的捕食[2 ] .巨骨舌鳞片外层高度矿化，内部由厚度约为50 μm的胶原蛋白层交叉堆叠而成，各胶原蛋白层由直径约100 nm的胶原纤维以纤维束的形式组成，在外力作用下这些胶原纤维的取向能原位调整[2 , 3 , 22 ] .如图3a 、3b 所示，胶原纤维在拉伸变形过程中大多偏向拉伸轴，而在压缩变形过程中大多偏离压缩轴.这种结构再取向现象也存在于很多其他生物材料中，其组元在变形过程中通过拉直、伸长、界面剪切等微观机制发生原位取向变化以适应外加载荷，从而有助于提高材料的灵活性[35 ~39 ] . ...
Tough, bio-inspired hybrid materials
0
2008
Mechanistic aspects of the fracture toughness of elk antler bone
1
2010
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hammer
0
2012
Structural biological materials: critical mechanics-materials connections
2
2013
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
... [7 ~9 ].虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
Structural architectures with toughening mechanisms in nature: a review of the materials science of type-I collagenous materials
1
2019
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
仿生矿化增强材料
2
2019
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
... 天然铠甲材料具有突出的防护作用而成为大自然通过结构设计实现材料同步强韧化的典型代表.生物材料“自下而上”的结构自组装过程往往发生在不同空间尺度上，并且能将成分各异的不同组元的性能优势结合起来.这种巧妙的组织结构及其构筑方式，能为人造材料的优化设计与制备提供有益的指导[9 , 47 ] .对于新型高性能仿生工程结构材料的研制，未来应重点关注以下几方面： ...
仿生矿化增强材料
2
2019
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
... 天然铠甲材料具有突出的防护作用而成为大自然通过结构设计实现材料同步强韧化的典型代表.生物材料“自下而上”的结构自组装过程往往发生在不同空间尺度上，并且能将成分各异的不同组元的性能优势结合起来.这种巧妙的组织结构及其构筑方式，能为人造材料的优化设计与制备提供有益的指导[9 , 47 ] .对于新型高性能仿生工程结构材料的研制，未来应重点关注以下几方面： ...
Materials design principles of ancient fish armour
1
2008
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
仿生结构材料的研究进展
1
2003
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
仿生结构材料的研究进展
1
2003
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
仿贝壳结构壳聚糖/绢云母复合薄膜的制备和性能
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2016
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
仿贝壳结构壳聚糖/绢云母复合薄膜的制备和性能
1
2016
... 大自然优胜劣汰的进化法则背后，是不同生物物种之间生死攸关的“军备竞赛”.经过长期的自然选择，很多生物体都进化出了有高效防护作用的天然铠甲.构成这些铠甲的材料，都具有优异的综合性能[1 ~7 ] .天然铠甲材料的力学防护效果依赖其优异的力学性能，特别是在强度足够高的前提下具有突出的断裂韧性.这些性能可以有效阻止铠甲材料中裂纹的萌生和扩展，受到攻击时铠甲材料在外力作用下不会断裂而发挥防护作用.与成分复杂的工程材料不同，以天然铠甲为代表的生物材料大都含有碳酸钙、二氧化硅等无机矿物以及蛋白质、甲壳素等有机质，在常温、常压等温和的自然条件下以“自下而上”的自组装方式复合而成[7 ~9 ] .虽然组元简单，但是它们的优异力学性能甚至能与许多工程材料相媲美.这些性能，主要归功于其复杂而巧妙的组织结构[10 ~12 ] .从材料设计角度分析，天然铠甲材料这种基于组织结构优化以提高力学和防护性能是极为高效的.研究天然铠甲材料组织结构的共性特征及其内在强韧化机理，可为优化设计人造材料的组织结构和研发新型仿生材料提供思路[13 ] . ...
Layered nanocomposites inspired by the structure and mechanical properties of nacre
1
2012
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
Hierarchical structure observation and nanoindentation size effect characterization for a limnetic shell
1
2015
... (2) 不同仿生结构类型在多级尺度上“强强联合”：天然生物材料的结构设计可提高其力学性能，而不同的结构类型对材料性能提高的侧重点则有所不同，例如梯度结构取向强调结构单元的形态和空间排列，原位结构再取向则注重结构单元取向的原位变化，而多级“缝合”界面结构的重点则在于界面的几何形态和多级性.若通过对不同组元在不同空间尺度上进行复合设计，构筑出具有两种或两种以上仿生结构类型的材料，其力学性能有望进一步提高[15 ] . ...
Structural basis for the fracture toughness of the shell of the conch Strombus gigas
0
2000
Nanotwin-governed toughening mechanism in hierarchically structured biological materials
1
2016
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
Hierarchically-enhanced impact resistance of bioinspired composites
1
2017
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
Bioinspired micro-composite structure
1
2007
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
Natural flexible dermal armor
2
2013
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 穿山甲除腹部外全身披覆一层角质瓦状鳞片，这些鳞片相互交叠排列，前排鳞片的末端覆盖后排鳞片的基部，为穿山甲提供有效的防护，如图1 a所示.遭遇危险时穿山甲蜷紧身体使坚硬的鳞片暴露在外，令捕食者无从下口[20 ] .穿山甲鳞片具有微观层状结构，1~6μm厚的角蛋白片层嵌于基体中[21 ] ，片层的排布角度在鳞片厚度方向上呈梯度变化，从表面到内部其微观取向逐渐偏离所受外力的方向，如图2 a所示.这种梯度结构取向，对生物材料的力学性能有极大的影响. ...
Structure and mechanical behaviors of protective armored pangolin scales and effects of hydration and orientation
4
2016
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 穿山甲除腹部外全身披覆一层角质瓦状鳞片，这些鳞片相互交叠排列，前排鳞片的末端覆盖后排鳞片的基部，为穿山甲提供有效的防护，如图1 a所示.遭遇危险时穿山甲蜷紧身体使坚硬的鳞片暴露在外，令捕食者无从下口[20 ] .穿山甲鳞片具有微观层状结构，1~6μm厚的角蛋白片层嵌于基体中[21 ] ，片层的排布角度在鳞片厚度方向上呈梯度变化，从表面到内部其微观取向逐渐偏离所受外力的方向，如图2 a所示.这种梯度结构取向，对生物材料的力学性能有极大的影响. ...
... [
21 ], (b)
Arapaima gigas fish scale
[22 ] , (c) turtle carapace, (d) alligator osteoderm and (e) boxfish scute
Fig.1 ![]()
图2 生物材料的梯度结构取向与相应的强韧化机理 Gradient structural orientation in natural biological materials and its underlying strengthening and toughening mechanisms (a) continuously varying structural orientations in the pangolin scale, as indicated by the black dashed curve<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R21">21</xref>]</sup>; (b) variations in the normalized mechanical properties as a function of the relative position from surface to interior in the composite<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R30">30</xref>]</sup>; (c) contours of the equivalent von Mises stress in the composites with different structural orientations under indentation loading based on finite element analysis simulation<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R30">30</xref>]</sup> Fig.2 ![]()
本文作者所在课题组的前期工作将穿山甲鳞片以及具有类似结构的生物材料视作由刚性的增强相和柔性的基体交替组成的层状复合材料，根据混合定律和细观力学分析建立了材料的局域力学性能P (包括杨氏模量、强度和断裂韧性)与加载方向或结构取向之间的定量关系：P = f V , θ θ 为结构取向，以微观组元的轴向与所受外力之间的夹角表示；V 为基体相的体积分数[30 ] .当加载方向平行于各层时增强相表现出最优的强化效率，使材料的刚度和强度最高；随着结构取向偏离加载轴增强相的强化效率逐渐降低，使材料的局域刚度和强度从表面到内部逐渐降低.同时，在外力作用下材料中的裂纹倾向于沿增强相之间的界面或在较弱的基体相中扩展，材料不同位置处的结构取向差异使裂纹从表面向内部的扩展方向不断变化，逐渐偏离其最容易扩展的最大正应力平面，因而扩展阻力逐渐增大，使材料的断裂韧性提高.材料的各项力学性能随着相对位置的变化趋势，如图2 b所示.可以看出，由表面到内部，局域刚度和强度逐渐降低，而断裂韧性不断提高，因此材料的表面刚强而内部柔韧.这种性能的梯度变化有利于减弱表面应力集中、延缓裂纹萌生并且促进内部变形消耗能量，降低裂纹尖端有效应力强度因子，从而使材料具有更高的抵抗接触损伤的能力.相应的有限元模拟分析也证实了以上推论，如图2 c所示，与简单的竖直和水平取向结构相比，具有梯度结构取向的材料显示出更浅的应力传导深度和更宽的应力分布范围，从而能更有效地抵抗接触损伤. ...
... [
21 ]; (b) variations in the normalized mechanical properties as a function of the relative position from surface to interior in the composite
[30 ] ; (c) contours of the equivalent von Mises stress in the composites with different structural orientations under indentation loading based on finite element analysis simulation
[30 ] Fig.2 ![]()
本文作者所在课题组的前期工作将穿山甲鳞片以及具有类似结构的生物材料视作由刚性的增强相和柔性的基体交替组成的层状复合材料，根据混合定律和细观力学分析建立了材料的局域力学性能P (包括杨氏模量、强度和断裂韧性)与加载方向或结构取向之间的定量关系：P = f V , θ θ 为结构取向，以微观组元的轴向与所受外力之间的夹角表示；V 为基体相的体积分数[30 ] .当加载方向平行于各层时增强相表现出最优的强化效率，使材料的刚度和强度最高；随着结构取向偏离加载轴增强相的强化效率逐渐降低，使材料的局域刚度和强度从表面到内部逐渐降低.同时，在外力作用下材料中的裂纹倾向于沿增强相之间的界面或在较弱的基体相中扩展，材料不同位置处的结构取向差异使裂纹从表面向内部的扩展方向不断变化，逐渐偏离其最容易扩展的最大正应力平面，因而扩展阻力逐渐增大，使材料的断裂韧性提高.材料的各项力学性能随着相对位置的变化趋势，如图2 b所示.可以看出，由表面到内部，局域刚度和强度逐渐降低，而断裂韧性不断提高，因此材料的表面刚强而内部柔韧.这种性能的梯度变化有利于减弱表面应力集中、延缓裂纹萌生并且促进内部变形消耗能量，降低裂纹尖端有效应力强度因子，从而使材料具有更高的抵抗接触损伤的能力.相应的有限元模拟分析也证实了以上推论，如图2 c所示，与简单的竖直和水平取向结构相比，具有梯度结构取向的材料显示出更浅的应力传导深度和更宽的应力分布范围，从而能更有效地抵抗接触损伤. ...
Mechanical adaptability of the Bouligand-type structure in natural dermal armour
4
2013
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 穿山甲除腹部外全身披覆一层角质瓦状鳞片，这些鳞片相互交叠排列，前排鳞片的末端覆盖后排鳞片的基部，为穿山甲提供有效的防护，如
图1 a所示.遭遇危险时穿山甲蜷紧身体使坚硬的鳞片暴露在外，令捕食者无从下口
[20 ] .穿山甲鳞片具有微观层状结构，1~6μm厚的角蛋白片层嵌于基体中
[21 ] ，片层的排布角度在鳞片厚度方向上呈梯度变化，从表面到内部其微观取向逐渐偏离所受外力的方向，如
图2 a所示.这种梯度结构取向，对生物材料的力学性能有极大的影响.
图1 典型的天然铠甲材料 Typical armor materials in nature (a) pangolin scale<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R21">21</xref>]</sup>, (b) <i>Arapaima gigas</i> fish scale<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R22">22</xref>]</sup>, (c) turtle carapace, (d) alligator osteoderm and (e) boxfish scute Fig.1 ![]()
图2 生物材料的梯度结构取向与相应的强韧化机理 Gradient structural orientation in natural biological materials and its underlying strengthening and toughening mechanisms (a) continuously varying structural orientations in the pangolin scale, as indicated by the black dashed curve<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R21">21</xref>]</sup>; (b) variations in the normalized mechanical properties as a function of the relative position from surface to interior in the composite<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R30">30</xref>]</sup>; (c) contours of the equivalent von Mises stress in the composites with different structural orientations under indentation loading based on finite element analysis simulation<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R30">30</xref>]</sup> Fig.2 ![]()
本文作者所在课题组的前期工作将穿山甲鳞片以及具有类似结构的生物材料视作由刚性的增强相和柔性的基体交替组成的层状复合材料，根据混合定律和细观力学分析建立了材料的局域力学性能P (包括杨氏模量、强度和断裂韧性)与加载方向或结构取向之间的定量关系：P = f V , θ θ 为结构取向，以微观组元的轴向与所受外力之间的夹角表示；V 为基体相的体积分数[30 ] .当加载方向平行于各层时增强相表现出最优的强化效率，使材料的刚度和强度最高；随着结构取向偏离加载轴增强相的强化效率逐渐降低，使材料的局域刚度和强度从表面到内部逐渐降低.同时，在外力作用下材料中的裂纹倾向于沿增强相之间的界面或在较弱的基体相中扩展，材料不同位置处的结构取向差异使裂纹从表面向内部的扩展方向不断变化，逐渐偏离其最容易扩展的最大正应力平面，因而扩展阻力逐渐增大，使材料的断裂韧性提高.材料的各项力学性能随着相对位置的变化趋势，如图2 b所示.可以看出，由表面到内部，局域刚度和强度逐渐降低，而断裂韧性不断提高，因此材料的表面刚强而内部柔韧.这种性能的梯度变化有利于减弱表面应力集中、延缓裂纹萌生并且促进内部变形消耗能量，降低裂纹尖端有效应力强度因子，从而使材料具有更高的抵抗接触损伤的能力.相应的有限元模拟分析也证实了以上推论，如图2 c所示，与简单的竖直和水平取向结构相比，具有梯度结构取向的材料显示出更浅的应力传导深度和更宽的应力分布范围，从而能更有效地抵抗接触损伤. ...
... 生活在亚马逊河中的巨骨舌鱼是世界上体型最大的淡水鱼之一.如图1 b所示，它的全身披覆着坚韧的鳞片，可有效抵御食人鱼的捕食[2 ] .巨骨舌鳞片外层高度矿化，内部由厚度约为50 μm的胶原蛋白层交叉堆叠而成，各胶原蛋白层由直径约100 nm的胶原纤维以纤维束的形式组成，在外力作用下这些胶原纤维的取向能原位调整[2 , 3 , 22 ] .如图3a 、3b 所示，胶原纤维在拉伸变形过程中大多偏向拉伸轴，而在压缩变形过程中大多偏离压缩轴.这种结构再取向现象也存在于很多其他生物材料中，其组元在变形过程中通过拉直、伸长、界面剪切等微观机制发生原位取向变化以适应外加载荷，从而有助于提高材料的灵活性[35 ~39 ] . ...
... [
22 ]; (c) variations in the Young’s modulus, strength, and fracture toughness of composite with strain caused by structural reorientation during tensile deformation
[40 ] ; (d) increased resistance to local and global buckling and improved splitting toughness of composite as a result of structural reorientation during compressive deformation
[40 ] Fig.3 ![]()
通过考察材料拉伸与压缩变形的动态过程，生物材料结构取向的原位调整能促进变形，还能引起不同力学性能实时变化[40 ] ，如图3c 、3d 所示.在拉伸条件下材料的微观结构取向逐渐偏向加载轴，有利于提高增强相的强化效率，增大材料发生弹性和塑性变形的阻力，从而同步提高刚度和强度.同时，这种结构取向的原位变化能诱导裂纹沿微观结构偏转，使其扩展路径偏离最容易扩展的最大正应力面，从而提高材料的断裂韧性.而在压缩条件下，复合材料的强度主要由局部结构失稳或宏观整体失稳决定，特别是天然生物材料的结构单元具有较高的长径比，使压缩强度在很大程度上取决于材料的力学稳定性.如图3 d所示，随着微观结构取向偏离压缩轴，结构单元沿主轴方向所受的压缩正应力减小，而沿横向所受的约束作用增大，增强其抵抗局部屈曲的能力.此外，由图3 a可见，这种结构取向的原位变化还能引起材料宏观几何尺寸的改变，即高度逐渐降低，而水平宽度不断增大，使材料抵抗整体屈曲的稳定性随之提高.另外，由于结构单元之间的界面逐渐偏离压缩加载轴，界面分离难度逐渐增大，使材料的抗压缩劈裂能力不断增强. ...
The turtle carapace as an optimized multi-scale biological composite armor - a review
2
2017
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨
[41 ] 、犰狳的骨皮
[42 ] 、贝壳以及硅藻
[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等
[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图
1c -
1e 及
图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用.
图4 多级“缝合”界面及其强韧化机理 Hierarchical suture interfaces and its interfacial toughening mechanisms (a) typical suture interfaces in leatherback turtle carapace<sup> [<xref ref-type="bibr" rid="R23">23</xref>]</sup>, alligator osteoderm<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R24">24</xref>]</sup> and boxfish scute<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R26">26</xref>]</sup>; (b) dependence of the ratio between the effective stress-intensity driving forces for crack deflection and penetration with the angle of crack inclination with respect to the interface. The two cracking modes are illustrated in the insets<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (c) effects of structural hierarchy on the cracking resistance of suture interfaces<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (d) schematic illustrations about the interfacial toughening effect of suture interface compared to straight interface<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup> Fig.4 ![]()
此前针对多级“缝合”界面的相关研究大多关注其刚度和强度，认为通过增大界面的复杂崎岖程度有助于提高结构单元之间的界面结合强度，从而增大材料整体的刚度和强度.但是，关于这种多级“缝合”结构对界面韧性的影响规律及其内在机理尚不十分清楚.考察裂纹穿过多级“缝合”界面与沿界面偏转之间的竞争关系，建立评判微观裂纹扩展路径的力学准则，发现多级“缝合”结构能阻碍界面开裂从而起增韧界面的作用[46 ] .大多数天然铠甲材料的结构单元具有良好的强韧性匹配，而组元之间的界面则相对较弱，使材料中的裂纹倾向于沿界面扩展，导致其界面破坏而失效.因此，将裂纹导入强韧性更好的结构单元内扩展，可避免发生界面脱黏、开裂、分层，从而使材料免于因界面失效而破坏.考虑到入射裂纹与界面之间的相对取向关系，由图4 b可见，当裂纹沿不同方向扩展与界面相遇时，界面与裂纹入射方向间的夹角越大，裂纹越倾向于穿过界面扩展，反之则易于沿界面扩展.通过提高界面的复杂曲折程度，多级“缝合”结构有利于降低裂纹沿界面偏转的有效应力强度因子，使裂纹穿过界面而非进入界面扩展，从而起增韧界面的作用.同时，将裂纹导入结构单元内部也有利于利用结构单元良好的强韧性阻碍其进一步扩展，从而提高材料的断裂韧性.通过提出特征临界应力强度因子比值的概念，进一步定量揭示出多级“缝合”结构的界面增韧效果因锯齿尖锐程度和结构级数的增加而增强，如图4 c所示. ...
Structural design and mechanical behavior of alligator (Alligator mississippiensis ) osteoderms
2
2013
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨
[41 ] 、犰狳的骨皮
[42 ] 、贝壳以及硅藻
[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等
[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图
1c -
1e 及
图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用.
图4 多级“缝合”界面及其强韧化机理 Hierarchical suture interfaces and its interfacial toughening mechanisms (a) typical suture interfaces in leatherback turtle carapace<sup> [<xref ref-type="bibr" rid="R23">23</xref>]</sup>, alligator osteoderm<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R24">24</xref>]</sup> and boxfish scute<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R26">26</xref>]</sup>; (b) dependence of the ratio between the effective stress-intensity driving forces for crack deflection and penetration with the angle of crack inclination with respect to the interface. The two cracking modes are illustrated in the insets<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (c) effects of structural hierarchy on the cracking resistance of suture interfaces<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (d) schematic illustrations about the interfacial toughening effect of suture interface compared to straight interface<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup> Fig.4 ![]()
此前针对多级“缝合”界面的相关研究大多关注其刚度和强度，认为通过增大界面的复杂崎岖程度有助于提高结构单元之间的界面结合强度，从而增大材料整体的刚度和强度.但是，关于这种多级“缝合”结构对界面韧性的影响规律及其内在机理尚不十分清楚.考察裂纹穿过多级“缝合”界面与沿界面偏转之间的竞争关系，建立评判微观裂纹扩展路径的力学准则，发现多级“缝合”结构能阻碍界面开裂从而起增韧界面的作用[46 ] .大多数天然铠甲材料的结构单元具有良好的强韧性匹配，而组元之间的界面则相对较弱，使材料中的裂纹倾向于沿界面扩展，导致其界面破坏而失效.因此，将裂纹导入强韧性更好的结构单元内扩展，可避免发生界面脱黏、开裂、分层，从而使材料免于因界面失效而破坏.考虑到入射裂纹与界面之间的相对取向关系，由图4 b可见，当裂纹沿不同方向扩展与界面相遇时，界面与裂纹入射方向间的夹角越大，裂纹越倾向于穿过界面扩展，反之则易于沿界面扩展.通过提高界面的复杂曲折程度，多级“缝合”结构有利于降低裂纹沿界面偏转的有效应力强度因子，使裂纹穿过界面而非进入界面扩展，从而起增韧界面的作用.同时，将裂纹导入结构单元内部也有利于利用结构单元良好的强韧性阻碍其进一步扩展，从而提高材料的断裂韧性.通过提出特征临界应力强度因子比值的概念，进一步定量揭示出多级“缝合”结构的界面增韧效果因锯齿尖锐程度和结构级数的增加而增强，如图4 c所示. ...
Alligator osteoderms: mechanical behavior and hierarchical structure
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2014
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
The armored carapace of the boxfish
2
2015
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨
[41 ] 、犰狳的骨皮
[42 ] 、贝壳以及硅藻
[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等
[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图
1c -
1e 及
图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用.
图4 多级“缝合”界面及其强韧化机理 Hierarchical suture interfaces and its interfacial toughening mechanisms (a) typical suture interfaces in leatherback turtle carapace<sup> [<xref ref-type="bibr" rid="R23">23</xref>]</sup>, alligator osteoderm<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R24">24</xref>]</sup> and boxfish scute<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R26">26</xref>]</sup>; (b) dependence of the ratio between the effective stress-intensity driving forces for crack deflection and penetration with the angle of crack inclination with respect to the interface. The two cracking modes are illustrated in the insets<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (c) effects of structural hierarchy on the cracking resistance of suture interfaces<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (d) schematic illustrations about the interfacial toughening effect of suture interface compared to straight interface<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup> Fig.4 ![]()
此前针对多级“缝合”界面的相关研究大多关注其刚度和强度，认为通过增大界面的复杂崎岖程度有助于提高结构单元之间的界面结合强度，从而增大材料整体的刚度和强度.但是，关于这种多级“缝合”结构对界面韧性的影响规律及其内在机理尚不十分清楚.考察裂纹穿过多级“缝合”界面与沿界面偏转之间的竞争关系，建立评判微观裂纹扩展路径的力学准则，发现多级“缝合”结构能阻碍界面开裂从而起增韧界面的作用[46 ] .大多数天然铠甲材料的结构单元具有良好的强韧性匹配，而组元之间的界面则相对较弱，使材料中的裂纹倾向于沿界面扩展，导致其界面破坏而失效.因此，将裂纹导入强韧性更好的结构单元内扩展，可避免发生界面脱黏、开裂、分层，从而使材料免于因界面失效而破坏.考虑到入射裂纹与界面之间的相对取向关系，由图4 b可见，当裂纹沿不同方向扩展与界面相遇时，界面与裂纹入射方向间的夹角越大，裂纹越倾向于穿过界面扩展，反之则易于沿界面扩展.通过提高界面的复杂曲折程度，多级“缝合”结构有利于降低裂纹沿界面偏转的有效应力强度因子，使裂纹穿过界面而非进入界面扩展，从而起增韧界面的作用.同时，将裂纹导入结构单元内部也有利于利用结构单元良好的强韧性阻碍其进一步扩展，从而提高材料的断裂韧性.通过提出特征临界应力强度因子比值的概念，进一步定量揭示出多级“缝合”结构的界面增韧效果因锯齿尖锐程度和结构级数的增加而增强，如图4 c所示. ...
Structural orientation and anisotropy in biological materials: functional designs and mechanics
2
2020
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
... 与传统的渗碳[31 ] 、渗氮[32 ] 、喷丸[33 ] 及表面碾压[34 ] 等处理方法相比，这种梯度结构取向设计不需调控组元和成分分布、残余应力以及结构尺度等，因而有明显的优势.通过控制温度梯度等制备工艺参数或采用外延沉积、冷冻铸造、增材制造等与生物材料相似的“自下而上”的组装方式，梯度结构取向设计有望在更多人造材料中实现，从而为仿生工程材料的强韧化提供有效途径[27 ] . ...
Structural design elements in biological materials: application to bioinspiration
1
2015
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
Structure and fracture resistance of alligator gar (atractosteus spatula ) armored fish scales
1
2013
... 贝壳，是迄今研究得最多的天然铠甲材料.贝壳具有多种独特的微观层状结构，如“砖-泥”结构、交叉叠片结构等.这种结构在材料的断裂过程中能引入裂纹偏转、桥联、片层间互锁等强韧化机制，从而使贝壳良好的强度与韧性匹配[14 ~17 ] .但是，贝壳的矿化程度较高(矿物含量约为95%，体积分数)，力学性能的提高会使整体的灵活性降低.同时，贝壳材料形成所需的矿化“成本”较高[18 , 19 ] .与之相比，有些天然铠甲尽管矿化程度较低，但是防护效果却毫不逊色.例如，穿山甲的鳞片能抵御狮子的撕咬[20 , 21 ] ，巨骨舌鱼的鳞片能抵御食人鱼的撕咬[2 , 22 ] ，而乌龟[23 ] 、鳄鱼[24 , 25 ] 、箱鲀[26 ] 等动物的甲壳也具有极好的强度与韧性匹配.自然界中天然生物材料的种类千差万别，但是其组织结构特征有一定的相似性，特别是具有相似功能的生物材料往往表现出趋同进化的特点.一方面，很多生物材料的结构单元具有纤维状、管状、片状等几何特征，在微观形态上表现为非等轴性[8 , 27 , 28 ] ；另一方面，这些组元往往沿特定的取向择优排列，使材料的组织结构具有各向异性[5 , 29 ] .在实际服役过程中，生物材料沿不同方向所受的应力或应变也不完全相等，而各向异性的组织结构为生物材料力学性能的优化提供了较大的设计和调控空间.因此，揭示低矿化程度天然铠甲材料的结构取向设计，对研制新型高性能仿生材料有重要的价值.本文作者所在课题组的前期工作从材料学与力学角度深入揭示了多种不同天然铠甲材料的共性组织结构特征及其内在强韧化机理，本文对其简要总结并展望高性能仿生工程材料的研究方向. ...
Enhanced protective role in materials with gradient structural orientations: lessons from nature
3
2016
... 穿山甲除腹部外全身披覆一层角质瓦状鳞片，这些鳞片相互交叠排列，前排鳞片的末端覆盖后排鳞片的基部，为穿山甲提供有效的防护，如
图1 a所示.遭遇危险时穿山甲蜷紧身体使坚硬的鳞片暴露在外，令捕食者无从下口
[20 ] .穿山甲鳞片具有微观层状结构，1~6μm厚的角蛋白片层嵌于基体中
[21 ] ，片层的排布角度在鳞片厚度方向上呈梯度变化，从表面到内部其微观取向逐渐偏离所受外力的方向，如
图2 a所示.这种梯度结构取向，对生物材料的力学性能有极大的影响.
图1 典型的天然铠甲材料 Typical armor materials in nature (a) pangolin scale<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R21">21</xref>]</sup>, (b) <i>Arapaima gigas</i> fish scale<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R22">22</xref>]</sup>, (c) turtle carapace, (d) alligator osteoderm and (e) boxfish scute Fig.1 ![]()
图2 生物材料的梯度结构取向与相应的强韧化机理 Gradient structural orientation in natural biological materials and its underlying strengthening and toughening mechanisms (a) continuously varying structural orientations in the pangolin scale, as indicated by the black dashed curve<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R21">21</xref>]</sup>; (b) variations in the normalized mechanical properties as a function of the relative position from surface to interior in the composite<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R30">30</xref>]</sup>; (c) contours of the equivalent von Mises stress in the composites with different structural orientations under indentation loading based on finite element analysis simulation<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R30">30</xref>]</sup> Fig.2 ![]()
本文作者所在课题组的前期工作将穿山甲鳞片以及具有类似结构的生物材料视作由刚性的增强相和柔性的基体交替组成的层状复合材料，根据混合定律和细观力学分析建立了材料的局域力学性能P (包括杨氏模量、强度和断裂韧性)与加载方向或结构取向之间的定量关系：P = f V , θ θ 为结构取向，以微观组元的轴向与所受外力之间的夹角表示；V 为基体相的体积分数[30 ] .当加载方向平行于各层时增强相表现出最优的强化效率，使材料的刚度和强度最高；随着结构取向偏离加载轴增强相的强化效率逐渐降低，使材料的局域刚度和强度从表面到内部逐渐降低.同时，在外力作用下材料中的裂纹倾向于沿增强相之间的界面或在较弱的基体相中扩展，材料不同位置处的结构取向差异使裂纹从表面向内部的扩展方向不断变化，逐渐偏离其最容易扩展的最大正应力平面，因而扩展阻力逐渐增大，使材料的断裂韧性提高.材料的各项力学性能随着相对位置的变化趋势，如图2 b所示.可以看出，由表面到内部，局域刚度和强度逐渐降低，而断裂韧性不断提高，因此材料的表面刚强而内部柔韧.这种性能的梯度变化有利于减弱表面应力集中、延缓裂纹萌生并且促进内部变形消耗能量，降低裂纹尖端有效应力强度因子，从而使材料具有更高的抵抗接触损伤的能力.相应的有限元模拟分析也证实了以上推论，如图2 c所示，与简单的竖直和水平取向结构相比，具有梯度结构取向的材料显示出更浅的应力传导深度和更宽的应力分布范围，从而能更有效地抵抗接触损伤. ...
... [
30 ]
Fig.2 ![]()
本文作者所在课题组的前期工作将穿山甲鳞片以及具有类似结构的生物材料视作由刚性的增强相和柔性的基体交替组成的层状复合材料，根据混合定律和细观力学分析建立了材料的局域力学性能P (包括杨氏模量、强度和断裂韧性)与加载方向或结构取向之间的定量关系：P = f V , θ θ 为结构取向，以微观组元的轴向与所受外力之间的夹角表示；V 为基体相的体积分数[30 ] .当加载方向平行于各层时增强相表现出最优的强化效率，使材料的刚度和强度最高；随着结构取向偏离加载轴增强相的强化效率逐渐降低，使材料的局域刚度和强度从表面到内部逐渐降低.同时，在外力作用下材料中的裂纹倾向于沿增强相之间的界面或在较弱的基体相中扩展，材料不同位置处的结构取向差异使裂纹从表面向内部的扩展方向不断变化，逐渐偏离其最容易扩展的最大正应力平面，因而扩展阻力逐渐增大，使材料的断裂韧性提高.材料的各项力学性能随着相对位置的变化趋势，如图2 b所示.可以看出，由表面到内部，局域刚度和强度逐渐降低，而断裂韧性不断提高，因此材料的表面刚强而内部柔韧.这种性能的梯度变化有利于减弱表面应力集中、延缓裂纹萌生并且促进内部变形消耗能量，降低裂纹尖端有效应力强度因子，从而使材料具有更高的抵抗接触损伤的能力.相应的有限元模拟分析也证实了以上推论，如图2 c所示，与简单的竖直和水平取向结构相比，具有梯度结构取向的材料显示出更浅的应力传导深度和更宽的应力分布范围，从而能更有效地抵抗接触损伤. ...
... 本文作者所在课题组的前期工作将穿山甲鳞片以及具有类似结构的生物材料视作由刚性的增强相和柔性的基体交替组成的层状复合材料，根据混合定律和细观力学分析建立了材料的局域力学性能P (包括杨氏模量、强度和断裂韧性)与加载方向或结构取向之间的定量关系：P = f V , θ θ 为结构取向，以微观组元的轴向与所受外力之间的夹角表示；V 为基体相的体积分数[30 ] .当加载方向平行于各层时增强相表现出最优的强化效率，使材料的刚度和强度最高；随着结构取向偏离加载轴增强相的强化效率逐渐降低，使材料的局域刚度和强度从表面到内部逐渐降低.同时，在外力作用下材料中的裂纹倾向于沿增强相之间的界面或在较弱的基体相中扩展，材料不同位置处的结构取向差异使裂纹从表面向内部的扩展方向不断变化，逐渐偏离其最容易扩展的最大正应力平面，因而扩展阻力逐渐增大，使材料的断裂韧性提高.材料的各项力学性能随着相对位置的变化趋势，如图2 b所示.可以看出，由表面到内部，局域刚度和强度逐渐降低，而断裂韧性不断提高，因此材料的表面刚强而内部柔韧.这种性能的梯度变化有利于减弱表面应力集中、延缓裂纹萌生并且促进内部变形消耗能量，降低裂纹尖端有效应力强度因子，从而使材料具有更高的抵抗接触损伤的能力.相应的有限元模拟分析也证实了以上推论，如图2 c所示，与简单的竖直和水平取向结构相比，具有梯度结构取向的材料显示出更浅的应力传导深度和更宽的应力分布范围，从而能更有效地抵抗接触损伤. ...
Improving surface properties and wear behaviors of duplex stainless steel via pressure carburizing
1
2012
... 与传统的渗碳[31 ] 、渗氮[32 ] 、喷丸[33 ] 及表面碾压[34 ] 等处理方法相比，这种梯度结构取向设计不需调控组元和成分分布、残余应力以及结构尺度等，因而有明显的优势.通过控制温度梯度等制备工艺参数或采用外延沉积、冷冻铸造、增材制造等与生物材料相似的“自下而上”的组装方式，梯度结构取向设计有望在更多人造材料中实现，从而为仿生工程材料的强韧化提供有效途径[27 ] . ...
Controlled nitriding processes
1
1978
... 与传统的渗碳[31 ] 、渗氮[32 ] 、喷丸[33 ] 及表面碾压[34 ] 等处理方法相比，这种梯度结构取向设计不需调控组元和成分分布、残余应力以及结构尺度等，因而有明显的优势.通过控制温度梯度等制备工艺参数或采用外延沉积、冷冻铸造、增材制造等与生物材料相似的“自下而上”的组装方式，梯度结构取向设计有望在更多人造材料中实现，从而为仿生工程材料的强韧化提供有效途径[27 ] . ...
Surface nanocrystallization of iron induced by ultrasonic shot peening
1
1999
... 与传统的渗碳[31 ] 、渗氮[32 ] 、喷丸[33 ] 及表面碾压[34 ] 等处理方法相比，这种梯度结构取向设计不需调控组元和成分分布、残余应力以及结构尺度等，因而有明显的优势.通过控制温度梯度等制备工艺参数或采用外延沉积、冷冻铸造、增材制造等与生物材料相似的“自下而上”的组装方式，梯度结构取向设计有望在更多人造材料中实现，从而为仿生工程材料的强韧化提供有效途径[27 ] . ...
Stabilizing nanostructures in metals using grain and twin boundary architectures
1
2016
... 与传统的渗碳[31 ] 、渗氮[32 ] 、喷丸[33 ] 及表面碾压[34 ] 等处理方法相比，这种梯度结构取向设计不需调控组元和成分分布、残余应力以及结构尺度等，因而有明显的优势.通过控制温度梯度等制备工艺参数或采用外延沉积、冷冻铸造、增材制造等与生物材料相似的“自下而上”的组装方式，梯度结构取向设计有望在更多人造材料中实现，从而为仿生工程材料的强韧化提供有效途径[27 ] . ...
Cell-wall recovery after irreversible deformation of wood
1
2003
... 生活在亚马逊河中的巨骨舌鱼是世界上体型最大的淡水鱼之一.如图1 b所示，它的全身披覆着坚韧的鳞片，可有效抵御食人鱼的捕食[2 ] .巨骨舌鳞片外层高度矿化，内部由厚度约为50 μm的胶原蛋白层交叉堆叠而成，各胶原蛋白层由直径约100 nm的胶原纤维以纤维束的形式组成，在外力作用下这些胶原纤维的取向能原位调整[2 , 3 , 22 ] .如图3a 、3b 所示，胶原纤维在拉伸变形过程中大多偏向拉伸轴，而在压缩变形过程中大多偏离压缩轴.这种结构再取向现象也存在于很多其他生物材料中，其组元在变形过程中通过拉直、伸长、界面剪切等微观机制发生原位取向变化以适应外加载荷，从而有助于提高材料的灵活性[35 ~39 ] . ...
Degeneration affects the fiber reorientation of human annulus fibrosus under tensile load
0
2006
Mathematical modelling of the stochastic mechanical properties of wood and its extensibility at small scales
0
2014
Mechanical adaptation of biological materials-The examples of bone and wood
0
2011
Microstructural differences between Viscose and Lyocell revealed by in-situ studies of wet and dry fibers
1
2020
... 生活在亚马逊河中的巨骨舌鱼是世界上体型最大的淡水鱼之一.如图1 b所示，它的全身披覆着坚韧的鳞片，可有效抵御食人鱼的捕食[2 ] .巨骨舌鳞片外层高度矿化，内部由厚度约为50 μm的胶原蛋白层交叉堆叠而成，各胶原蛋白层由直径约100 nm的胶原纤维以纤维束的形式组成，在外力作用下这些胶原纤维的取向能原位调整[2 , 3 , 22 ] .如图3a 、3b 所示，胶原纤维在拉伸变形过程中大多偏向拉伸轴，而在压缩变形过程中大多偏离压缩轴.这种结构再取向现象也存在于很多其他生物材料中，其组元在变形过程中通过拉直、伸长、界面剪切等微观机制发生原位取向变化以适应外加载荷，从而有助于提高材料的灵活性[35 ~39 ] . ...
Adaptive structural reorientation: developing extraordinary mechanical properties by constrained flexibility in natural materials
3
2019
... 生活在亚马逊河中的巨骨舌鱼是世界上体型最大的淡水鱼之一.如
图1 b所示，它的全身披覆着坚韧的鳞片，可有效抵御食人鱼的捕食
[2 ] .巨骨舌鳞片外层高度矿化，内部由厚度约为50 μm的胶原蛋白层交叉堆叠而成，各胶原蛋白层由直径约100 nm的胶原纤维以纤维束的形式组成，在外力作用下这些胶原纤维的取向能原位调整
[2 , 3 , 22 ] .如图
3a 、
3b 所示，胶原纤维在拉伸变形过程中大多偏向拉伸轴，而在压缩变形过程中大多偏离压缩轴.这种结构再取向现象也存在于很多其他生物材料中，其组元在变形过程中通过拉直、伸长、界面剪切等微观机制发生原位取向变化以适应外加载荷，从而有助于提高材料的灵活性
[35 ~39 ] .
图3 原位结构再取向效应及其强韧化机理 Adaptive structural reorientation and its underlying strengthening and toughening mechanism (a) the inclination of the composite structure with respect to the loading axis decreases under tension and increases under compression; (b) rotation of mineralized collagen fibrils with differing original orientations as a function of the macroscopic tissue strain during the tensile test of the <i>Arapaima gigas</i> fish scale<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R22">22</xref>]</sup>; (c) variations in the Young’s modulus, strength, and fracture toughness of composite with strain caused by structural reorientation during tensile deformation<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R40">40</xref>]</sup>; (d) increased resistance to local and global buckling and improved splitting toughness of composite as a result of structural reorientation during compressive deformation<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R40">40</xref>]</sup> Fig.3 ![]()
通过考察材料拉伸与压缩变形的动态过程，生物材料结构取向的原位调整能促进变形，还能引起不同力学性能实时变化[40 ] ，如图3c 、3d 所示.在拉伸条件下材料的微观结构取向逐渐偏向加载轴，有利于提高增强相的强化效率，增大材料发生弹性和塑性变形的阻力，从而同步提高刚度和强度.同时，这种结构取向的原位变化能诱导裂纹沿微观结构偏转，使其扩展路径偏离最容易扩展的最大正应力面，从而提高材料的断裂韧性.而在压缩条件下，复合材料的强度主要由局部结构失稳或宏观整体失稳决定，特别是天然生物材料的结构单元具有较高的长径比，使压缩强度在很大程度上取决于材料的力学稳定性.如图3 d所示，随着微观结构取向偏离压缩轴，结构单元沿主轴方向所受的压缩正应力减小，而沿横向所受的约束作用增大，增强其抵抗局部屈曲的能力.此外，由图3 a可见，这种结构取向的原位变化还能引起材料宏观几何尺寸的改变，即高度逐渐降低，而水平宽度不断增大，使材料抵抗整体屈曲的稳定性随之提高.另外，由于结构单元之间的界面逐渐偏离压缩加载轴，界面分离难度逐渐增大，使材料的抗压缩劈裂能力不断增强. ...
... [
40 ]
Fig.3 ![]()
通过考察材料拉伸与压缩变形的动态过程，生物材料结构取向的原位调整能促进变形，还能引起不同力学性能实时变化[40 ] ，如图3c 、3d 所示.在拉伸条件下材料的微观结构取向逐渐偏向加载轴，有利于提高增强相的强化效率，增大材料发生弹性和塑性变形的阻力，从而同步提高刚度和强度.同时，这种结构取向的原位变化能诱导裂纹沿微观结构偏转，使其扩展路径偏离最容易扩展的最大正应力面，从而提高材料的断裂韧性.而在压缩条件下，复合材料的强度主要由局部结构失稳或宏观整体失稳决定，特别是天然生物材料的结构单元具有较高的长径比，使压缩强度在很大程度上取决于材料的力学稳定性.如图3 d所示，随着微观结构取向偏离压缩轴，结构单元沿主轴方向所受的压缩正应力减小，而沿横向所受的约束作用增大，增强其抵抗局部屈曲的能力.此外，由图3 a可见，这种结构取向的原位变化还能引起材料宏观几何尺寸的改变，即高度逐渐降低，而水平宽度不断增大，使材料抵抗整体屈曲的稳定性随之提高.另外，由于结构单元之间的界面逐渐偏离压缩加载轴，界面分离难度逐渐增大，使材料的抗压缩劈裂能力不断增强. ...
... 通过考察材料拉伸与压缩变形的动态过程，生物材料结构取向的原位调整能促进变形，还能引起不同力学性能实时变化[40 ] ，如图3c 、3d 所示.在拉伸条件下材料的微观结构取向逐渐偏向加载轴，有利于提高增强相的强化效率，增大材料发生弹性和塑性变形的阻力，从而同步提高刚度和强度.同时，这种结构取向的原位变化能诱导裂纹沿微观结构偏转，使其扩展路径偏离最容易扩展的最大正应力面，从而提高材料的断裂韧性.而在压缩条件下，复合材料的强度主要由局部结构失稳或宏观整体失稳决定，特别是天然生物材料的结构单元具有较高的长径比，使压缩强度在很大程度上取决于材料的力学稳定性.如图3 d所示，随着微观结构取向偏离压缩轴，结构单元沿主轴方向所受的压缩正应力减小，而沿横向所受的约束作用增大，增强其抵抗局部屈曲的能力.此外，由图3 a可见，这种结构取向的原位变化还能引起材料宏观几何尺寸的改变，即高度逐渐降低，而水平宽度不断增大，使材料抵抗整体屈曲的稳定性随之提高.另外，由于结构单元之间的界面逐渐偏离压缩加载轴，界面分离难度逐渐增大，使材料的抗压缩劈裂能力不断增强. ...
Mechanical properties of cranial sutures
2
1990
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨[41 ] 、犰狳的骨皮[42 ] 、贝壳以及硅藻[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图1c -1e 及图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用. ...
... [41 , 42 , 45 ].多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图1c -1e 及图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用. ...
Armadillo armor: mechanical testing and micro-structural evaluation
2
2011
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨[41 ] 、犰狳的骨皮[42 ] 、贝壳以及硅藻[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图1c -1e 及图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用. ...
... , 42 , 45 ].多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图1c -1e 及图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用. ...
Shell morphology and suture complexity in upper carboniferous ammonoids
1
1996
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨[41 ] 、犰狳的骨皮[42 ] 、贝壳以及硅藻[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图1c -1e 及图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用. ...
Evolution of complexity in paleozoic ammonoid sutures
0
1999
Sexual reproduction and auxospore structure in Diploneis papula (Bacillariophyta)
2
2013
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨[41 ] 、犰狳的骨皮[42 ] 、贝壳以及硅藻[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图1c -1e 及图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用. ...
... , 45 ].多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图1c -1e 及图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用. ...
Interfacial toughening effect of suture structures
4
2020
... 微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面存在于很多生物材料中，例如哺乳动物的头骨
[41 ] 、犰狳的骨皮
[42 ] 、贝壳以及硅藻
[43 -45 ] 等.这种界面的主要功能是在保证结构完整性的同时提供灵活性，从而在不显著降低材料整体刚度和强度的前提下更好地适应生物体的呼吸、生长和运动等
[41 , 42 , 45 ] .多级“缝合”界面在天然铠甲材料中尤为普遍，如棱皮龟的甲壳、短吻鳄的背甲以及角箱鲀的骨片等(见图
1c -
1e 及
图4 a)，能为铠甲提供良好的强度和韧性，从而保障其发挥防护作用.
图4 多级“缝合”界面及其强韧化机理 Hierarchical suture interfaces and its interfacial toughening mechanisms (a) typical suture interfaces in leatherback turtle carapace<sup> [<xref ref-type="bibr" rid="R23">23</xref>]</sup>, alligator osteoderm<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R24">24</xref>]</sup> and boxfish scute<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R26">26</xref>]</sup>; (b) dependence of the ratio between the effective stress-intensity driving forces for crack deflection and penetration with the angle of crack inclination with respect to the interface. The two cracking modes are illustrated in the insets<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (c) effects of structural hierarchy on the cracking resistance of suture interfaces<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup>; (d) schematic illustrations about the interfacial toughening effect of suture interface compared to straight interface<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="R46">46</xref>]</sup> Fig.4 ![]()
此前针对多级“缝合”界面的相关研究大多关注其刚度和强度，认为通过增大界面的复杂崎岖程度有助于提高结构单元之间的界面结合强度，从而增大材料整体的刚度和强度.但是，关于这种多级“缝合”结构对界面韧性的影响规律及其内在机理尚不十分清楚.考察裂纹穿过多级“缝合”界面与沿界面偏转之间的竞争关系，建立评判微观裂纹扩展路径的力学准则，发现多级“缝合”结构能阻碍界面开裂从而起增韧界面的作用[46 ] .大多数天然铠甲材料的结构单元具有良好的强韧性匹配，而组元之间的界面则相对较弱，使材料中的裂纹倾向于沿界面扩展，导致其界面破坏而失效.因此，将裂纹导入强韧性更好的结构单元内扩展，可避免发生界面脱黏、开裂、分层，从而使材料免于因界面失效而破坏.考虑到入射裂纹与界面之间的相对取向关系，由图4 b可见，当裂纹沿不同方向扩展与界面相遇时，界面与裂纹入射方向间的夹角越大，裂纹越倾向于穿过界面扩展，反之则易于沿界面扩展.通过提高界面的复杂曲折程度，多级“缝合”结构有利于降低裂纹沿界面偏转的有效应力强度因子，使裂纹穿过界面而非进入界面扩展，从而起增韧界面的作用.同时，将裂纹导入结构单元内部也有利于利用结构单元良好的强韧性阻碍其进一步扩展，从而提高材料的断裂韧性.通过提出特征临界应力强度因子比值的概念，进一步定量揭示出多级“缝合”结构的界面增韧效果因锯齿尖锐程度和结构级数的增加而增强，如图4 c所示. ...
... [
46 ]; (d) schematic illustrations about the interfacial toughening effect of suture interface compared to straight interface
[46 ] Fig.4 ![]()
此前针对多级“缝合”界面的相关研究大多关注其刚度和强度，认为通过增大界面的复杂崎岖程度有助于提高结构单元之间的界面结合强度，从而增大材料整体的刚度和强度.但是，关于这种多级“缝合”结构对界面韧性的影响规律及其内在机理尚不十分清楚.考察裂纹穿过多级“缝合”界面与沿界面偏转之间的竞争关系，建立评判微观裂纹扩展路径的力学准则，发现多级“缝合”结构能阻碍界面开裂从而起增韧界面的作用[46 ] .大多数天然铠甲材料的结构单元具有良好的强韧性匹配，而组元之间的界面则相对较弱，使材料中的裂纹倾向于沿界面扩展，导致其界面破坏而失效.因此，将裂纹导入强韧性更好的结构单元内扩展，可避免发生界面脱黏、开裂、分层，从而使材料免于因界面失效而破坏.考虑到入射裂纹与界面之间的相对取向关系，由图4 b可见，当裂纹沿不同方向扩展与界面相遇时，界面与裂纹入射方向间的夹角越大，裂纹越倾向于穿过界面扩展，反之则易于沿界面扩展.通过提高界面的复杂曲折程度，多级“缝合”结构有利于降低裂纹沿界面偏转的有效应力强度因子，使裂纹穿过界面而非进入界面扩展，从而起增韧界面的作用.同时，将裂纹导入结构单元内部也有利于利用结构单元良好的强韧性阻碍其进一步扩展，从而提高材料的断裂韧性.通过提出特征临界应力强度因子比值的概念，进一步定量揭示出多级“缝合”结构的界面增韧效果因锯齿尖锐程度和结构级数的增加而增强，如图4 c所示. ...
... [
46 ]
Fig.4 ![]()
此前针对多级“缝合”界面的相关研究大多关注其刚度和强度，认为通过增大界面的复杂崎岖程度有助于提高结构单元之间的界面结合强度，从而增大材料整体的刚度和强度.但是，关于这种多级“缝合”结构对界面韧性的影响规律及其内在机理尚不十分清楚.考察裂纹穿过多级“缝合”界面与沿界面偏转之间的竞争关系，建立评判微观裂纹扩展路径的力学准则，发现多级“缝合”结构能阻碍界面开裂从而起增韧界面的作用[46 ] .大多数天然铠甲材料的结构单元具有良好的强韧性匹配，而组元之间的界面则相对较弱，使材料中的裂纹倾向于沿界面扩展，导致其界面破坏而失效.因此，将裂纹导入强韧性更好的结构单元内扩展，可避免发生界面脱黏、开裂、分层，从而使材料免于因界面失效而破坏.考虑到入射裂纹与界面之间的相对取向关系，由图4 b可见，当裂纹沿不同方向扩展与界面相遇时，界面与裂纹入射方向间的夹角越大，裂纹越倾向于穿过界面扩展，反之则易于沿界面扩展.通过提高界面的复杂曲折程度，多级“缝合”结构有利于降低裂纹沿界面偏转的有效应力强度因子，使裂纹穿过界面而非进入界面扩展，从而起增韧界面的作用.同时，将裂纹导入结构单元内部也有利于利用结构单元良好的强韧性阻碍其进一步扩展，从而提高材料的断裂韧性.通过提出特征临界应力强度因子比值的概念，进一步定量揭示出多级“缝合”结构的界面增韧效果因锯齿尖锐程度和结构级数的增加而增强，如图4 c所示. ...
... 此前针对多级“缝合”界面的相关研究大多关注其刚度和强度，认为通过增大界面的复杂崎岖程度有助于提高结构单元之间的界面结合强度，从而增大材料整体的刚度和强度.但是，关于这种多级“缝合”结构对界面韧性的影响规律及其内在机理尚不十分清楚.考察裂纹穿过多级“缝合”界面与沿界面偏转之间的竞争关系，建立评判微观裂纹扩展路径的力学准则，发现多级“缝合”结构能阻碍界面开裂从而起增韧界面的作用[46 ] .大多数天然铠甲材料的结构单元具有良好的强韧性匹配，而组元之间的界面则相对较弱，使材料中的裂纹倾向于沿界面扩展，导致其界面破坏而失效.因此，将裂纹导入强韧性更好的结构单元内扩展，可避免发生界面脱黏、开裂、分层，从而使材料免于因界面失效而破坏.考虑到入射裂纹与界面之间的相对取向关系，由图4 b可见，当裂纹沿不同方向扩展与界面相遇时，界面与裂纹入射方向间的夹角越大，裂纹越倾向于穿过界面扩展，反之则易于沿界面扩展.通过提高界面的复杂曲折程度，多级“缝合”结构有利于降低裂纹沿界面偏转的有效应力强度因子，使裂纹穿过界面而非进入界面扩展，从而起增韧界面的作用.同时，将裂纹导入结构单元内部也有利于利用结构单元良好的强韧性阻碍其进一步扩展，从而提高材料的断裂韧性.通过提出特征临界应力强度因子比值的概念，进一步定量揭示出多级“缝合”结构的界面增韧效果因锯齿尖锐程度和结构级数的增加而增强，如图4 c所示. ...
The role of collagen in the dermal armor of the boxfish
1
2020
... 天然铠甲材料具有突出的防护作用而成为大自然通过结构设计实现材料同步强韧化的典型代表.生物材料“自下而上”的结构自组装过程往往发生在不同空间尺度上，并且能将成分各异的不同组元的性能优势结合起来.这种巧妙的组织结构及其构筑方式，能为人造材料的优化设计与制备提供有益的指导[9 , 47 ] .对于新型高性能仿生工程结构材料的研制，未来应重点关注以下几方面： ...
Additive manufacturing of medical instruments: a state-of-the-art review
1
2019
... (3) 基于增材制造技术实现仿生结构的高效构筑：增材制造采用逐点逐层堆积成形方式，无需模具即可制备出所需的产品[48 ] ，材料利用率高，并且适用于多种不同的材料体系.得益于计算机辅助设计系统，用这种近净成形技术可制备微观几何形状复杂的产品，从而为仿生结构的精密构筑和有效控制提供有效途径[49 , 50 ] .但是，目前增材制造技术(特别是对于金属和陶瓷材料而言)仍然存在生产成本较高、缺陷难以控制和产品疲劳性能有待提高等问题[51 ] .增材制造技术的不断发展及其与现有成熟的材料制备加工技术(如热处理、塑性加工等)的综合利用，有望在人造材料中高效构筑复杂的仿生结构. ...
3D-printed artificial microfish
1
2015
... (3) 基于增材制造技术实现仿生结构的高效构筑：增材制造采用逐点逐层堆积成形方式，无需模具即可制备出所需的产品[48 ] ，材料利用率高，并且适用于多种不同的材料体系.得益于计算机辅助设计系统，用这种近净成形技术可制备微观几何形状复杂的产品，从而为仿生结构的精密构筑和有效控制提供有效途径[49 , 50 ] .但是，目前增材制造技术(特别是对于金属和陶瓷材料而言)仍然存在生产成本较高、缺陷难以控制和产品疲劳性能有待提高等问题[51 ] .增材制造技术的不断发展及其与现有成熟的材料制备加工技术(如热处理、塑性加工等)的综合利用，有望在人造材料中高效构筑复杂的仿生结构. ...
Beautiful and functional: a review of biomimetic design in additive manufacturing
1
2019
... (3) 基于增材制造技术实现仿生结构的高效构筑：增材制造采用逐点逐层堆积成形方式，无需模具即可制备出所需的产品[48 ] ，材料利用率高，并且适用于多种不同的材料体系.得益于计算机辅助设计系统，用这种近净成形技术可制备微观几何形状复杂的产品，从而为仿生结构的精密构筑和有效控制提供有效途径[49 , 50 ] .但是，目前增材制造技术(特别是对于金属和陶瓷材料而言)仍然存在生产成本较高、缺陷难以控制和产品疲劳性能有待提高等问题[51 ] .增材制造技术的不断发展及其与现有成熟的材料制备加工技术(如热处理、塑性加工等)的综合利用，有望在人造材料中高效构筑复杂的仿生结构. ...
Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges
1
2018
... (3) 基于增材制造技术实现仿生结构的高效构筑：增材制造采用逐点逐层堆积成形方式，无需模具即可制备出所需的产品[48 ] ，材料利用率高，并且适用于多种不同的材料体系.得益于计算机辅助设计系统，用这种近净成形技术可制备微观几何形状复杂的产品，从而为仿生结构的精密构筑和有效控制提供有效途径[49 , 50 ] .但是，目前增材制造技术(特别是对于金属和陶瓷材料而言)仍然存在生产成本较高、缺陷难以控制和产品疲劳性能有待提高等问题[51 ] .增材制造技术的不断发展及其与现有成熟的材料制备加工技术(如热处理、塑性加工等)的综合利用，有望在人造材料中高效构筑复杂的仿生结构. ...
