密質(zhì)骨多級(jí)微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌機(jī)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(qiáng)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(jí)微結(jié)構(gòu)密切相關(guān),通過對(duì)密質(zhì)骨多級(jí)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(qiáng)韌性機(jī)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(shí)驗(yàn)、模型分析、數(shù)值計(jì)算及仿生實(shí)驗(yàn),綜合研究了密質(zhì)骨多級(jí)微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌機(jī)理。論文完成了以下工作并得到若干有益的結(jié)論:
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2、電鏡對(duì)牛的密質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,發(fā)現(xiàn)密質(zhì)骨具有多級(jí)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(jí)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(duì)骨單元的觀察發(fā)現(xiàn),骨單元又是由長(zhǎng)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(jí)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(qiáng)

3、復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的理論,對(duì)密質(zhì)骨一級(jí)結(jié)構(gòu)-骨單元從骨間質(zhì)中拔出時(shí)的斷裂能進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示當(dāng)裂紋面垂直于骨單元方向擴(kuò)展時(shí),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(duì)密質(zhì)骨的二級(jí)結(jié)構(gòu)-骨單元中的膠原纖維的拔出問題進(jìn)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(zhǎng)度。基于歐拉公式,對(duì)骨單元中的螺旋纖維的最大拔出力也進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)度以及微裂紋尖端進(jìn)入黏合線對(duì)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和應(yīng)力應(yīng)變的影響。對(duì)無黏合線模型的計(jì)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(kuò)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(duì)有黏合線模型的計(jì)算分析表明,微裂紋進(jìn)入黏合線后,裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)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(jí)結(jié)構(gòu)上的微裂紋擴(kuò)展,提高了密質(zhì)骨抵抗斷裂的能力。
　?、芑贏baqus建立包含單個(gè)骨單元的骨單元-骨間質(zhì)兩相裂紋擴(kuò)展模型和骨單元-骨間質(zhì)-黏合線三相裂紋擴(kuò)展模型,應(yīng)用擴(kuò)展有限元方法,分別計(jì)算了不同模型中的應(yīng)力應(yīng)變,分析了黏合線對(duì)密質(zhì)骨微裂紋擴(kuò)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(kuò)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(gè)骨單元的三種裂紋擴(kuò)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(kuò)展有限元方法,分別計(jì)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展速度減慢及裂紋長(zhǎng)度增加,從而提高了密質(zhì)骨抵抗斷