多級孔生物陶瓷的多尺度力學行為研究.pdf

1、多級多級孔生物陶瓷的多尺度孔生物陶瓷的多尺度力學行為力學行為研究研究Researchofmultiscalemechanicsbehaviinhierarchicalpousbioceramics學科專業(yè)：固體力學研究生：戰(zhàn)楠指導教師：陳金龍教授天津大學機械工程學院學院二零一零年六月摘要作為良好的骨替代材料多級孔羥基磷灰石生物陶瓷，在使用過程中承受復雜載荷，研究生物陶瓷支架材料的力學性能對提高其使用安全性，擴大其使用范圍至關重要。在細觀

2、層次上，多孔生物陶瓷在不同尺度上呈現(xiàn)為不同量級的多級多孔結(jié)構，該結(jié)構從生物學角度可以起到很好的功能放大作用，但其多級孔結(jié)構在不同尺度上對材料力學性能產(chǎn)生影響。并且在制備過程中，由于工藝等原因易產(chǎn)生裂紋，裂紋與孔的相互作用也極大影響了材料的承載能力。因此，研究多級孔生物陶瓷有效模量及斷裂問題具有理論意義和應用價值。本文主要完成以下研究工作：1.在細觀層次上，基于均勻化理論將二尺度漸近展開法與有限元法結(jié)合，詳細討論周期性邊界條件，宏觀應變的

3、施加方法。通過計算纖維增強復合材料的有效性能對本文的實施方法進行驗證，證明結(jié)果有效性。2.對多孔生物陶瓷的多級孔細觀結(jié)構進行研究，建立不同孔隙率及排布形式的細觀孔道代表體積單元，計算材料有效模量，總結(jié)相關規(guī)律，根據(jù)力學性能要求、孔隙率要求，評價和指導多孔生物陶瓷的多級孔細觀結(jié)構設計。3.以斷裂力學基本理論為基礎，根據(jù)擴展有限元基本原理，選取最大主應力和能量釋放率作為裂紋起裂和擴展的準則，以ABAQUS有限元軟件為平臺，對不同孔隙率含裂紋

4、多孔生物陶瓷進行研究，預測不同孔隙率下裂紋擴展路徑，臨界載荷等?？紤]多孔生物陶瓷植入人體后與體液、骨細胞相互作用情況，研究孔內(nèi)壓對裂紋擴展路徑的影響。最后對增韌的多孔生物陶瓷進行研究，結(jié)果表明斷裂韌性的增加對材料承載能力有顯著提高，對材料的增韌可以擴大生物陶瓷的使用范圍。本文在兩個尺度上分別對多級孔生物陶瓷力學行為進行研究，并建立了兩個尺度之間的聯(lián)系。通過本文的研究方法，可以更真實的模擬多級孔生物陶瓷不同尺度上的力學行為，進而更好的對多