密質(zhì)骨多級微結(jié)構(gòu)的強韌機理.pdf

1、密質(zhì)骨是一種由礦化膠原纖維、羥基磷灰石和無定形膠原基質(zhì)等組成的自然生物復(fù)合材料,它具有高的強度、剛度及韌性。密質(zhì)骨優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)和其內(nèi)部多級微結(jié)構(gòu)密切相關(guān),通過對密質(zhì)骨多級微結(jié)構(gòu)與其優(yōu)良力學(xué)行為關(guān)系的深入研究,能夠揭示密質(zhì)骨的強韌性機理,從而為高性能仿生復(fù)合材料研究提供有益指導(dǎo)。
　　本文通過觀察實驗、模型分析、數(shù)值計算及仿生實驗,綜合研究了密質(zhì)骨多級微結(jié)構(gòu)的強韌機理。論文完成了以下工作并得到若干有益的結(jié)論:
　　①利用掃描

2、電鏡對牛的密質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)進行了觀察,發(fā)現(xiàn)密質(zhì)骨具有多級的微結(jié)構(gòu)特征。密質(zhì)骨由骨單元及骨間質(zhì)基體組成。它們可視為密質(zhì)骨的一級結(jié)構(gòu)。骨單元呈圓柱狀,非均勻地分布于骨間質(zhì)中。仔細(xì)地對骨單元的觀察發(fā)現(xiàn),骨單元又是由長而細(xì)的礦化膠原纖維螺旋環(huán)繞哈弗氏管構(gòu)成。這些螺旋環(huán)繞的礦化膠原纖維構(gòu)成密質(zhì)骨的二級結(jié)構(gòu)。骨單元與骨間質(zhì)之間存在明顯的稱為黏合線的界面。在密質(zhì)骨的斷裂表面也觀察到被拔出的骨單元以及骨單元中被拔出的礦化膠原纖維。
　?、诨诶w維增強

3、復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的理論,對密質(zhì)骨一級結(jié)構(gòu)-骨單元從骨間質(zhì)中拔出時的斷裂能進行了分析,結(jié)果顯示當(dāng)裂紋面垂直于骨單元方向擴展時,骨單元的脫黏、滑移及拔出,增加了密質(zhì)骨斷裂過程能量的消耗,提高了密質(zhì)骨的抗斷裂能力?；诩魷碚?對密質(zhì)骨的二級結(jié)構(gòu)-骨單元中的膠原纖維的拔出問題進行了分析,得到纖維的最大拔出力和拔出能密切相關(guān)于纖維的埋置深度以及拔出纖維的臨界長度。基于歐拉公式,對骨單元中的螺旋纖維的最大拔出力也進行了分析,結(jié)果顯示纖維的拔出力和

4、拔出能隨纖維傾角和埋設(shè)深度的增大而增大。研究表明骨單元中的纖維的大螺旋角及大長細(xì)比提高了骨的韌性。
　　③基于線彈性斷裂力學(xué)的理論及有限元分析方法,建立有黏合線和無黏合線兩種情況下的密質(zhì)骨模型,考察了骨單元模量變化、裂紋尖端到骨單元距離、裂紋長度以及微裂紋尖端進入黏合線對裂紋尖端應(yīng)力強度因子和應(yīng)力應(yīng)變的影響。對無黏合線模型的計算分析表明,受彈性模量較低的骨單元影響,微裂紋更容易朝骨單元方向擴展,從而避免了微裂紋在脆性的骨間質(zhì)基體內(nèi)

5、形成宏觀裂紋的可能。對有黏合線模型的計算分析表明,微裂紋進入黏合線后,裂紋尖端的應(yīng)力強度因子、應(yīng)變和應(yīng)力都將大幅度下降。這表明黏合線的存在抑制了密質(zhì)骨在一級結(jié)構(gòu)上的微裂紋擴展,提高了密質(zhì)骨抵抗斷裂的能力。
　　④基于Abaqus建立包含單個骨單元的骨單元-骨間質(zhì)兩相裂紋擴展模型和骨單元-骨間質(zhì)-黏合線三相裂紋擴展模型,應(yīng)用擴展有限元方法,分別計算了不同模型中的應(yīng)力應(yīng)變,分析了黏合線對密質(zhì)骨微裂紋擴展路徑的影響。結(jié)果顯示密質(zhì)骨中的黏

6、合線提高了微裂紋擴展的起始作用應(yīng)變,也使得微裂紋折拐和偏轉(zhuǎn),這提高了骨的抗斷裂能力。也基于Abaqus建立包含多個骨單元的三種裂紋擴展模型:密質(zhì)骨單相模型、骨單元-骨間質(zhì)兩相模型以及骨單元-骨間質(zhì)-黏合線三相模型。應(yīng)用擴展有限元方法,分別計算了這三種不同模型中的應(yīng)力應(yīng)變,模擬了模型中的裂紋擴展。研究表明密質(zhì)骨中的骨單元和黏合線提高了微裂紋擴展的起始作用應(yīng)力及應(yīng)變,使骨的剛度軟化推遲、裂紋擴展速度減慢及裂紋長度增加,從而提高了密質(zhì)骨抵抗斷