密質骨多尺度微結構及力學行為研究.pdf

1、經(jīng)過數(shù)千萬年的自然選擇進化，動物的骨骼具有了高的強度、剛度及斷裂韌性。骨的優(yōu)良力學性質密切相關于其內(nèi)部多級微結構，對骨優(yōu)良力學性質與其多級微結構關系的研究，可以為人造高性能仿生復合材料的設計提供重要指導。
　　本文通過力學實驗測試、觀察實驗、理論分析與數(shù)值模擬相結合的方法，研究了骨優(yōu)良力學性質與其多級微結構的關系。本文的主要工作及得到的結論如下：
　　①通過單軸宏觀壓縮實驗測試了牛股骨密質骨縱、橫向試樣的宏觀力學性質，對比分

2、析了試樣取向、取樣位置及應變率對密質骨力學行為的影響，進而對試樣的斷裂路徑及斷面進行了宏觀與微觀觀察。力學實驗結果表明，牛股骨密質骨具有明顯的壓縮各向異性力學性質。觀察結果表明，縱向試樣的斷裂路徑沿試樣的縱向，而橫向試樣的斷裂路徑與試樣縱向約為45o。橫向試樣斷裂表面的粗糙度較大，斷裂過程消耗的斷裂能較多?；趶秃喜牧霞氂^力學理論，分析了骨縱向試樣彈性模量與極限強度大于橫向試樣彈性模量與極限強度的機理，說明了密質骨壓縮各向異性力學性質與

3、其骨單元的方向密切相關。
　　②通過對牛股骨密質骨四個不同方向試樣的宏觀彎曲實驗、斷面微結構觀察以及斷裂韌性和分形維數(shù)計算，研究了密質骨的斷裂韌性及微結構特征與斷面分形維數(shù)間的關系。實驗結果表明，四個不同方向試樣的斷裂能和斷裂韌性存在明顯差異，這說明密質骨的斷裂行為與其取向有關。在彎曲斷裂過程中，0o試樣的斷裂路徑發(fā)生明顯的偏轉和折拐，而90o試樣的斷裂路徑近似沿骨的縱向擴展，幾乎沒有發(fā)生裂紋偏轉和折拐。采用計盒維數(shù)法計算了四個不

4、同方向試樣斷面的分形維數(shù)，結果表明骨的分形維數(shù)與其斷裂韌性呈正相關的關系。密質骨的彎曲各向異性力學性質也與其骨單元方向密切相關。
　　③根據(jù)三點彎實驗結果可知，斷裂試樣的斷裂路徑發(fā)生明顯的裂紋偏轉和折拐。建立了三種含有微裂紋的密質骨細觀分析模型：單個骨單元-骨間質密質骨模型、多個骨單元-骨間質密質骨模型及多個骨單元-黏合線-骨間質密質骨模型，基于線彈性斷裂力學和有限元分析法，在細觀尺度上對比分析了骨單元和黏合線對骨間質中裂紋擴展能

5、力和擴展路徑的影響。研究結果表明，骨單元與骨間質的模量比大于1時，骨單元阻礙微裂紋的擴展；模量比小于1時，骨單元促進微裂紋的擴展。多個骨單元模型中骨單元對加速或阻礙微裂紋擴展有更明顯的影響。黏合線阻礙微裂紋擴展，并使微裂紋的擴展路徑發(fā)生偏轉和折拐。
　?、苊苜|骨斷面的掃描電鏡觀察結果表明，骨單元中非均勻分布著橢圓形腔隙，且其長軸沿骨單元的環(huán)向（環(huán)向橢圓形腔隙）。根據(jù)觀察結果，建立了三種骨單元細觀分析模型：環(huán)向橢圓形腔隙骨單元模型、

6、徑向橢圓形腔隙骨單元模型和圓形腔隙骨單元模型，通過對比這三種模型在沖擊及擠壓載荷作用下的應力分布及損傷演化情況，分析了腔隙方向和形狀對骨單元體抵抗沖擊與微損傷能力的影響。結果表明，骨單元的環(huán)向橢圓形腔隙能有效改善骨單元的沖擊應力集中，增強骨單元的抗沖擊能力。損傷分析結果也表明骨單元的環(huán)向橢圓形腔隙使微裂紋沿著骨單元的環(huán)向擴展，從而避免其沿骨單元的徑向擴展進入哈弗氏管造成骨單元破壞。
　?、莨菃卧鲗迎h(huán)形骨板中的礦化膠原纖維螺旋環(huán)繞

7、哈弗氏管，并且相鄰骨板層中的纖維夾角約呈30°遞增。建立4種纖維螺旋夾角分別為15°、30°、45°和90°的仿骨單元復合材料模型，并采用漸進損傷法和Hashin失效準則，對這4種仿骨單元復合材料模型進行低速沖擊損傷分析。分析結果表明，纖維螺旋夾角為30°的骨單元復合材料模型，其抗沖擊損傷的能力最大。說明了骨單元中礦化膠原纖維螺旋夾角為30°的周期性螺旋鋪層結構能有效提高密質骨抵抗外界沖擊的能力，研究結果可為高性能仿生復合材料的研制提供

8、有益指導。
　?、薷鶕?jù)密質骨礦化膠原纖維中羥基磷灰石晶體的排列結構，建立羥基磷灰石晶體在膠原蛋白基體中交錯排列結構細觀分析模型，研究了羥基磷灰石晶體在膠原蛋白基體中交錯排列微結構的結構參數(shù)、體積分數(shù)對密質骨彈性模量和斷裂韌性的影響。結果表明，密質骨的彈性模量隨羥基磷灰石晶體含量的增加呈非線性增加。根據(jù)交錯結構的裂紋擴展路徑及斷裂橋聯(lián)現(xiàn)象，分析了羥基磷灰石晶體結構參數(shù)及其含量對密質骨斷裂韌性的影響。研究結果表明隨著晶體片長寬比及其含