螺旋纖維復(fù)合材料韌性機(jī)制的初步研究.pdf

1、木材、骨頭、肌腱、韌帶和攀附植物卷須等生物材料在分子尺度、微觀甚至宏觀尺度上具有手性微結(jié)構(gòu)或多級手性結(jié)構(gòu)。這些天然手性生物材料中含有的螺旋或扭轉(zhuǎn)微結(jié)構(gòu)不僅能夠“智能”地調(diào)控生物組織的形貌，而且為生物材料提供了優(yōu)良的物理和力學(xué)性能。材料韌性是重要的力學(xué)性能之一。木材和骨頭等生物材料的韌性來源于多級微結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，其中由膠原纖維或纖維素纖維等形成的螺旋微結(jié)構(gòu)在微觀尺度上對韌性有很大的貢獻(xiàn)。但是目前手性微結(jié)構(gòu)如何提高材料的韌性還不清楚。研究

2、手性微結(jié)構(gòu)生物材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系不僅有助于加深對自然界各種現(xiàn)象的理解，還啟發(fā)我們設(shè)計(jì)和構(gòu)造基于手性微結(jié)構(gòu)的先進(jìn)功能材料。
　　本文基于木材裂紋擴(kuò)展過程中的纖維橋聯(lián)機(jī)制，利用有限元軟件 ABAQUS建立了螺旋纖維拔出的力學(xué)模型。通過模擬結(jié)果，研究了螺旋角度對螺旋纖維拔出過程中拉拔載荷和能量損耗的影響，分析了螺旋微結(jié)構(gòu)對于生物材料失效過程的作用。同時分析了圓柱扭轉(zhuǎn)纖維和扭轉(zhuǎn)帶纖維拔出的過程，考察了纖維與基體不同彈性模量比的影響以及拉

3、拔過程中拉拔速度對于纖維基體“stick-slip”行為的影響。最后模擬了簡單的螺旋纖維復(fù)合材料系統(tǒng)I型裂紋的擴(kuò)展過程，研究了螺旋纖維在裂紋擴(kuò)展過程中起到的增韌作用。
　　其次，針對肌腱、韌帶、攀附植物卷須等生物材料，建立了螺旋纖維復(fù)合材料系統(tǒng)在大變形下的軸向拉伸以及單纖維碎斷的有限元模型。通過比較螺旋纖維斷裂密度隨拉伸應(yīng)變的變化和斷裂過程中能量損耗變化，分析了螺旋纖維斷裂過程。并進(jìn)一步分析界面強(qiáng)度、纖維強(qiáng)度等對于大變形下生物材料