本文關鍵詞： 生物復合材料 多級結構 斷裂 分子動力學　出處：《北京理工大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：貝殼、牙齒、骨骼等生物材料都是多級納米復合材料,在納米尺度上礦物質(zhì)相交錯鑲嵌在柔軟的蛋白質(zhì)基質(zhì)中。這種交錯層疊的排布使得材料具備了良好的力學性能。深入研究生物材料的力學性能與其多尺度(多級)微納米結構之間的關系,對于人工合成性能優(yōu)異的仿生材料具有重要意義。本文依據(jù)生物材料的微觀多級結構特性,模擬研究具有多級結構的生物復合材料的動態(tài)破壞行為和斷裂機制,為人工合成高性能的仿生材料提供理論支持。本文第一部分運用分子動力學方法模擬研究了蛋白質(zhì)相體積分數(shù)遠大于礦物質(zhì)相,且含有中心裂紋的一級結構的力學行為。通過研究發(fā)現(xiàn),裂尖應力強度因子隨著增強纖維長度的增大而減小,最終趨于一個穩(wěn)定值;臨界擴展力隨著增強纖維長度的增大而增大。該結果均表明增大增強纖維的長度能夠有效削弱裂尖的應力集中現(xiàn)象。當增強纖維的強度遠大于基質(zhì)時,裂紋擴展繞過增強纖維,呈現(xiàn)增強纖維被“拔出”的現(xiàn)象;當增強纖維的強度較小時,長度較小的增強纖維被“拔出”,而長度較大的增強纖維發(fā)生斷裂。第二部分運用分子動力學方法模擬研究了蛋白質(zhì)體積分數(shù)遠小于礦物質(zhì)相,且邊界含預制裂紋的“類骨”多級結構的力學行為。研究發(fā)現(xiàn),對于僅含一級結構的模型,礦物質(zhì)長細比較小時,裂紋主要沿著蛋白質(zhì)相擴展,礦物質(zhì)相被“拔出”,擴展過程中呈現(xiàn)出明顯的“橋連”現(xiàn)象,而“橋連”則正是生物材料的一種重要的增韌機制;隨著礦物質(zhì)長細比增大,裂紋直接穿過礦物質(zhì)相擴展。對于含有二級結構的模型,礦物質(zhì)長細比較小時,裂紋主要沿著蛋白質(zhì)相擴展;隨著礦物質(zhì)長細比增大,裂紋擴展路徑逐漸變得曲折,該過程既有蛋白質(zhì)相的破壞,也有礦物質(zhì)相的破壞;當長細比足夠大時,有二級結構被“拔出”的現(xiàn)象出現(xiàn),同時伴隨著礦物質(zhì)相的斷裂。在研究中我們還找到了一組最優(yōu)的結構,使得材料既能獲得良好的韌性,也能具備足夠的強度,這為人工合成材料提供了依據(jù)。
[Abstract]:Shells, teeth, bones and other biomaterials are multistage nanocomposites, Minerals are interlaced in soft protein substrates on a nanoscale scale. This interlaced arrangement makes the materials possess good mechanical properties. Further study on the Mechanical Properties of Biomaterials and their Multi-scale (multilevel). The relationship between microstructures and nanostructures, It is of great significance to synthesize biomimetic materials with excellent properties. According to the microcosmic and multilevel structure characteristics of biomaterials, the dynamic failure behavior and fracture mechanism of biomaterials with multilevel structures are simulated and studied in this paper. In the first part of this paper, the volume fraction of protein phase is much larger than that of mineral phase by molecular dynamics simulation. It is found that the stress intensity factor of crack tip decreases with the increase of fiber length and tends to a stable value. The results show that increasing the length of the reinforced fiber can effectively reduce the stress concentration at the crack tip. When the strength of the reinforced fiber is much greater than that of the matrix, the crack propagation bypasses the reinforced fiber. A phenomenon in which the reinforced fiber is "pulled out"; when the strength of the reinforced fiber is small, The smaller reinforced fibers were "pulled out" and the longer reinforced fibers were broken. In the second part, the molecular dynamics method was used to simulate that the protein volume fraction was much smaller than the mineral phase. And the mechanical behavior of "bone-like" multistage structures with prefabricated cracks at the boundary. It is found that for models with only primary structure, the crack propagates mainly along the protein phase when the mineral length is small. When the mineral phase is "pulled out", the phenomenon of "bridging" appears in the process of expansion, and "bridging" is an important toughening mechanism of biomaterials. The crack propagates directly through the mineral phase. For the model with secondary structure, when the mineral length is small, the crack mainly propagates along the protein phase, and with the increase of the aspect ratio of the mineral, the crack propagation path becomes more and more zigzag. In this process, both the protein phase and the mineral phase are destroyed; when the aspect ratio is large enough, the secondary structure is "pulled out". At the same time, along with the fracture of mineral phase, we also find a group of optimal structure, which makes the material can obtain good toughness and enough strength, which provides the basis for synthetic materials.
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB33

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本文編號：1530779