《珍珠母多級微結構協同增強增韌機制的跨尺度計算研究》是依託武漢大學，由張作啟擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：珍珠母多級微結構協同增強增韌機制的跨尺度計算研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張作啟
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高強度和高韌性是高性能材料領域永恆的研究主題，在汽車、戰艦、太空飛行器等民用和軍用領域都有著巨大的需求驅動。珍珠母通過多級微結構和少量的有機聚合物（體積分數＜5%）實現了對普通礦物質（文石）1-3個量級的增強增韌效果，為人工材料的增強增韌設計提供了參考範本。半個世紀以來，基於對珍珠母微結構的觀察，人們在介、微、納觀尺度上提出了多種可能的增強增韌機制。然而，哪種機制在起主導作用仍不得而知，這主要由於當前的研究存在以下不足：（1）對原子或分子層次上物理機理的揭示不足（2）對不同微結構間的協同效應研究不足（3）對每種機制的貢獻缺乏量化評價等。針對這些不足，本項目擬發展一套多尺度耦合、跨尺度的計算模型，從原子和分子層次出發系統研究各微結構獨自的增強增韌機理，以及不同微結構間、不同機理間的統合綜效。在此基礎上，建立一套量化評價體系，評定各微結構在增強增韌中的角色和貢獻，為人工仿生材料的設計提供清晰系統的指導。
結題摘要
高強度和高韌性是高性能材料領域永恆的研究主題，在汽車、戰艦、太空飛行器等民用和軍用領域都有著巨大的需求驅動。珍珠母通過多級微結構和少量的有機聚合物（體積分數＜5%）實現了對普通礦物質（文石）1-3個量級的增強增韌效果，為人工材料的增強增韌設計提供了參考範本。本項目採用理論建模和分子動力學—有限單元法多尺度計算，系統研究了“雉尾卯榫結構”、“礦物橋”、“包狀礦物凸起”、生物聚合物粘彈性等多級微結構特徵對珍珠母類承力生物材料剛度、強度、韌性和衝擊防護性能等的影響。主要結果和發現包括：（1）雉尾卯榫結構相較於規則矩形結構和反雉尾卯榫結構具有更高的剛度、強度和斷裂韌性，並且具有奇特的負泊松比性質；（2）礦物橋式強連線可以有效地調控和改善增強相之間的界面性能，一方面可以保障增強相之間載荷的有效傳遞，一方面可以調控破壞模式改善斷裂韌性；（3）包狀礦物凸起可以大幅地提高礦物質增強相界面間的等效摩擦係數和摩擦能量耗散，從而起到增強增韌的作用；（4）貝殼類承力生物材料優異的衝擊防護性能是微結構、生物聚合物體積比和粘性綜合最佳化作用的結果。這些結果和發現對於加深人們對珍珠母類承力生物材料“結構—功能”關係的認識，對於指導仿生高性能材料的設計和製備，都有重要的理論價值和實際意義。
