典型生物耐磨、止裂剛柔耦合表面的多尺度力學機制

《典型生物耐磨、止裂剛柔耦合表面的多尺度力學機制》是依託吉林大學，由張志輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：典型生物耐磨、止裂剛柔耦合表面的多尺度力學機制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張志輝
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

申請人在前期承擔的青年基金項目“基於生物止裂功能的軌道車輛制動盤仿生耦合抗疲勞設計與製備”研究中取得初步進展，揭示了雷射製備形態、結構二元耦合仿生止裂制動盤材料的力學強韌化機制及疲勞載荷對其影響規律，提出了制動盤仿生抗疲勞設計的準則及方案並進行了計算機模擬，開發了多種具有自主智慧財產權、面向不同制動盤需求的仿生耦合體製備技術。獲吉林省技術發明一等獎1項；申報國家發明專利4件；發表學術論文9篇，其中SCI收錄7篇，EI收錄2篇。圍繞“典型生物耐磨、止裂剛柔耦合表面的多尺度力學機制”這一基礎、關鍵、瓶頸科學問題，申請人擬進一步進行重點突破與深入探索，將剛柔耦合與力學研究相結合，巨觀與微觀、納觀尺度相結合，動態與靜態分析相結合，尋求典型生物耐磨與止裂功能的實現模式，揭示其內在力學機制，提出耐磨、止裂生物體剛柔耦合的普適性力學模型，為進一步仿生設計與製造的精確控制提供強力支撐。

結題摘要

生物功能實現不僅源自單一因素的作用，而更多源自多種因素通過適當機制的耦合、協同作用。而學習和模擬生物耦合機制的多元耦合仿生，較之僅學習和模擬影響生物功能某一因素的單元仿生，更接近生物的功能原理，將會產生更好的仿生效能。本項目將剛柔耦合與力學研究相結合，巨觀與微觀、納觀尺度相結合，動態與靜態分析相結合，揭示了典型生物耐磨與止裂功能的實現模式和內在力學機制，提出了耐磨、止裂生物體剛柔耦合的普適性力學模型，為仿生設計、製造套用提供支撐，取得了如下創新成果： （1）通過巨觀/微觀幾何形態、結構組成和生物材料屬性等多尺度分析，建立了生物體剛柔耦元與其運動姿態、方式的關聯，揭示了典型剛柔耦合生物的幾何、形態等對其耐磨與止裂性能的特徵規律。 （2）通過對典型生物體剛柔耦元結構進行顯微/納米硬度、彈性模量、拉伸強度和Micro-CT等分析，定量研究了生物體不同耦元及其耦合整體的力學特性，闡釋了生物剛柔耦合表面的功能實現模式。 （3）通過對生物體剛柔耦合表面局部和整體的力學性能及止裂、抗衝擊和抗疲勞特性分析，建立了剛性和柔性耦元結構與功能特性的對應規律，揭示了剛柔耦合的生物體結構所具有的耐磨與止裂的功能原理。 （4）基於生物體剛柔耦合形態、結構和性能分析以及剛柔耦合生物體耐磨與止裂的功能原理，建立了仿生、數學和力學一體化模型，並在實際問題中研究了耦元的作用主次、強弱、比例關係對整體力學性能影響，為進一步實現剛柔耦合人工材料的仿生設計與製造奠定了基礎。 依託本項目研究，負責人獲2014年度中國農業機械學會第四屆青年科技獎、2016年度吉林省青年科技獎和2017年度吉林省青年拔尖人才；執行期內發表學術論文15篇，其中SCI收錄13篇，EI收錄2篇；授權國家發明專利4件；帶領團隊入選2017年度吉林省中青年領軍人才及創新團隊；成員1人獲國家留學基金委“中國未來科學家”稱號；培養研究生7人；參加國際會議12人次，全面完成了項目的預期研究工作。