与传统的工程材料相比,生物组织的优势是仅利用刚柔两种异质材料,通过精妙的微结构设计和最优化的耦合方式就能够提高整体的力学性能和自适应能力。以植物组织为例,刚性的纤维素与柔性的木质素-半纤维素基体以特殊的微结构(多孔结构、螺旋结构和非对称纤维结构)耦合,不仅兼顾了轻质、坚韧和高稳定性等力学性能(木细胞),还能驱动播种器官随环境湿度变化做可逆的变形运动(天竺葵种子)。这种异质材料与微结构的耦合不仅存在于微纳尺度,还体现在介观尺度(树干年轮)和不同器官的连接界面(闭壳肌与壳)中。虽然这些特征分别属于不同种生物,但其背后的核心机理是相通的。本文研究的目的和意义在于:将生物组织内部的典型微结构提取出来,经过适当的放大与简化,建立相应的仿生结构模型,进一步地,应用3D打印技术将刚柔异质材料与生物结构设计单元相耦合,建立一系列提高构件综合力学性能和自驱动能力的仿生设计方法。具体的研究内容可概括为以下几点:1.针对传统多孔结构杆件断裂韧性不足的问题,模仿软木的年轮结构,应用多材料3D打印技术将均质多孔结构改进成由刚柔两相异质材料组成的复合结构。在试样长径比相同的前提下,改进后的复合多孔结构轴向和径向的断裂韧性分别提高了107.6%和143%。此外,还揭示了两种异质材料模量比与杆件整体断裂模式间的关系,使多孔结构的设计更具灵活性。2.为弥补传统纤维增强复合材料承压能力不足的缺陷,以软木微观的细胞壁结构为基础进行仿生设计与3D打印,将刚性纤维、柔性基体与螺旋结构相耦合,证明了在保持其它结构参数不变的前提下,通过改变螺旋结构的纤维角就可以调节仿生复合材料的力学性能。进一步地,应用这一规律设计了一种双层螺旋结构来对复合材料进行编程,有效的提升了它们的稳定性和承压能力。3.为了使仿生复合材料实现更加智能的自驱动功能,利用显微CT技术获取了天竺葵种子芒部的三维结构,进而提炼出相应的仿生结构模型和复合材料力学模型。之后,运用有限元分析法解析了芒部的螺旋变形机理:组织内层细胞壁的偏轴螺旋结构使刚性纤维丝能够引导弹性基体在收缩过程中同时产生一对弯矩和扭矩,在两者的共同作用下组织细胞会做螺旋变形运动。这一原理为设计新型自驱动复合材料提供了理论基础。4.运用多材料3D打印技术和灌注成型工艺的混合加工方法,以聚氨酯类吸湿膨胀弹性体为基体材料,研发了一种新的仿生4D打印技术。进而,以天竺葵种子芒部的微结构为仿生设计原型,应用该技术制备了三种具有自驱动功能的仿生复合材料。与现有的仿生4D打印材料相比,它们能够实现更加复杂的非均匀弯曲、扭曲和螺旋变形,且具有更佳的力学性能。5.为了解决异质材料连接时面临的应力集中问题,模仿虾夷扇贝闭壳肌与壳体间的界面结构,运用多材料3D打印技术制备了一种嵌入增强纤维矩阵的仿生异质材料连接结构。试验结果表明:通过合理优化增强纤维的分布密度,可以有效的缓解了应力集中效应,提高界面的连接强度。综上所述,本文针对构件对优越性能的实际需求,对软木介观的多孔结构及微观的螺旋结构、天竺葵种子芒部的偏螺旋结构,以及虾夷扇贝闭壳肌与壳体间的界面结构进行提取,并应用3D打印技术,以刚柔异质材料为原料对结构进行仿生设计与制备。这种3D打印与仿生设计相结合的新方法,在开发高新复合材料、微型致动器和异质先进材料连接等领域具有潜在的应用价值。