發(fā)布時間：2017-08-22 09:34

  本文關(guān)鍵詞：密質(zhì)骨各向異性及其強韌機理研究

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【摘要】：哺乳動物的骨是一種由膠原纖維、羥基磷灰石、無定形膠原基質(zhì)和水等組成的自然生物復(fù)合材料。經(jīng)過若干世紀(jì)的選擇進化,骨具有了高的強度、剛度及斷裂韌性,為動物軀體的支撐和運動的完成起到了不可缺少的重要作用。人們發(fā)現(xiàn)盡管組成骨的原始材料及成分的力學(xué)性質(zhì)并不好,但是自然進化的神奇作用,使得這些材料和成分得到優(yōu)化的組合與分布,形成了各種優(yōu)良的微結(jié)構(gòu),這些優(yōu)良微結(jié)構(gòu)使骨具有了強韌兼?zhèn)洹⒐δ芑パa的優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)。對骨生物復(fù)合材料各種優(yōu)良微結(jié)構(gòu)的深入研究,將為人工合成高性能復(fù)合材料提供有益指導(dǎo)。本文以天然生物復(fù)合材料密質(zhì)骨為研究對象,通過力學(xué)測試、觀察實驗、模型分析、數(shù)值模擬和仿生實驗相結(jié)合的方法,研究了骨的多級微納米結(jié)構(gòu)與其力學(xué)行為的關(guān)系,揭示了骨多級微納米結(jié)構(gòu)的強韌機理,提出了高性能復(fù)合材料仿生制備的新思路。本文的主要工作及結(jié)論如下:①通過四點彎曲實驗、緊湊拉伸實驗、納米壓痕實驗測試骨在不同方向上的宏微觀力學(xué)性質(zhì),并用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察骨在沿不同方向斷裂時的斷裂路徑和微結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明骨具有明顯的各向異性性質(zhì)。在宏觀尺度上,骨在橫向上的斷裂功最大,縱向次之,徑向最小。在微觀尺度上,骨的軸向的硬度和彈性模量比橫向的硬度和彈性模量大。骨的各向異性性質(zhì)與骨的微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。骨單元及其表面黏合線與骨的斷裂面的不同方向關(guān)系造成骨中的裂紋發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn),這是骨具有宏觀各向異性性質(zhì)的主要原因。而骨板中礦化膠原纖維的不同方向是骨具有微觀上各向異性性質(zhì)的主要原因。②基于三個不同方向斷面的SEM照片,認為骨裂紋擴展路徑具有統(tǒng)計自相似的特征,建立骨沿三個不同方向斷裂時裂紋偏轉(zhuǎn)的分形模型,用分形理論中的能量耗散計算方法,計算了骨沿三個不同方向斷裂時耗散的能量,分析計算的結(jié)果與彎曲實驗得到的結(jié)果有很好的一致性。根據(jù)掃描電鏡觀察到的骨中裂紋擴展情況,建立裂紋分叉分形模型和系帶橋聯(lián)分形模型,定量分析了骨中裂紋分叉增韌機理和系帶橋聯(lián)增韌機理,研究發(fā)現(xiàn)骨中裂紋分叉和系帶橋聯(lián)都能增加骨的裂紋臨界擴展力和斷裂韌性。③針對由四點彎曲實驗得到的骨三個方向斷面的SEM照片,通過Matlab編程算出三個斷面的分形維數(shù)和相應(yīng)的灰度共生矩陣的特征參數(shù)(角二階矩、對比度、熵、逆差矩)。結(jié)果表明橫向斷面分形維數(shù)最高,縱向次之,徑向最小。分形維數(shù)能反映骨的斷面形貌的復(fù)雜程度和粗糙度水平。且隨著分形維數(shù)的增加,斷裂功增加�；叶裙采仃嚨乃膫�特征參數(shù)能精確地描述骨的斷面形貌的某一特征,具有很好的紋理表達能力。將分形維數(shù)和灰度共生矩陣參數(shù)結(jié)合起來組成多維特征集,可以較完整地描述骨的斷裂表面的形貌特征,可望實現(xiàn)骨斷面類型的自動分類識別。④采用多尺度有限元方法,分析了宏觀股骨在受到外力作用時,股骨密質(zhì)骨中的微觀骨單元及骨間質(zhì)處的應(yīng)力分布,得出在骨單元的哈弗氏管邊緣處及骨單元之間的骨間質(zhì)處存在應(yīng)力集中的結(jié)論。然后根據(jù)材料應(yīng)力集中處易萌生裂紋,假設(shè)在哈弗氏管邊緣處及骨單元之間的骨間質(zhì)中存在裂紋,采用擴展有限元方法,分析了骨中的黏合線對這些裂紋擴展規(guī)律的影響。計算結(jié)果表明骨中黏合線的存在使裂紋擴展發(fā)生偏轉(zhuǎn)和裂紋長度縮短,且使裂紋擴展需要更大的應(yīng)力和應(yīng)變值,這些都說明黏合線的存在,提高了骨的抗斷裂能力。⑤采用漸進失效分析的方法,以ABAQUS 6.13有限元軟件為計算平臺,利用FORTRAN語言編制USDFLD子程序,并嵌入ABAQUS有限元軟件中,分析了三種不同的骨單元模型的損傷失效過程。三種骨單元模型分別是環(huán)向腔隙結(jié)構(gòu)模型、徑向腔隙結(jié)構(gòu)模型和圓形腔隙結(jié)構(gòu)模型。結(jié)果表明主軸平行于環(huán)形骨板的橢圓形腔隙結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)化結(jié)構(gòu),它決定了微裂紋產(chǎn)生的位置及擴展的方向,使微裂紋沿著骨單元環(huán)向擴展,從而避免其進入哈弗氏管造成骨單元的破壞。⑥基于Mori-Tanaka(M-T)法,分步計算了密質(zhì)骨在納觀尺度和亞微觀尺度上的有效彈性模量,即納觀尺度上骨的膠原纖維和礦化膠原纖維的有效彈性模量和亞微觀尺度上骨單元骨板的有效彈性模量。算出的骨單元骨板彈性模量與本文納米壓痕測試結(jié)果基本一致。⑦通過彈性力學(xué)分析和有限元模擬,發(fā)現(xiàn)骨中的纖維繞孔結(jié)構(gòu)能增強孔洞處的強度和韌性�；趯嶒炗^察與模型分析,用高強玻璃纖維和環(huán)氧樹脂進行了纖維繞孔仿生復(fù)合材料層合板的制備,將得到的繞孔復(fù)合材料層合板與鉆孔復(fù)合材料層合板進行極限拉伸強度的比較測試,結(jié)果顯示繞孔復(fù)合材料層合板的極限拉伸強度明顯大于鉆孔復(fù)合材料層合板的極限拉伸強度。⑧根據(jù)骨中由羥基磷灰石片和礦化膠原纖維組成的層狀微結(jié)構(gòu),制備了層狀仿生纖維-陶瓷復(fù)合材料,并用三點彎曲實驗測試其力學(xué)性質(zhì),結(jié)果表明纖維和陶瓷片組成的層狀結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)化結(jié)構(gòu),它能吸收和消耗斷裂能量,承受較大破壞載荷。實驗也表明纖維層數(shù)量越多,仿生層狀纖維-陶瓷復(fù)合材料斷裂時所消耗的能量越多,抵抗斷裂破壞的能力越強。纖維拉伸強度越高,仿生層狀陶瓷復(fù)合材料抵抗斷裂破壞的能力也越強。
【關(guān)鍵詞】：密質(zhì)骨 各向異性 分形 強韌機理 仿生制備
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q811
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-27
• 1.1 研究背景11
• 1.2 骨的組成和骨的多級結(jié)構(gòu)11-13
• 1.3 骨的基本力學(xué)性質(zhì)研究13-18
• 1.3.1 骨基本力學(xué)性質(zhì)的實驗研究13-15
• 1.3.2 骨基本力學(xué)性質(zhì)的理論研究15-18
• 1.4 骨的斷裂力學(xué)性質(zhì)及增韌機理18-21
• 1.5 本文的研究方法21-24
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容及取得的成果24-27
• 2 骨的實驗研究27-41
• 2.1 引言27
• 2.2 主要實驗儀器介紹27-29
• 2.2.1 MTS858電液伺服動靜萬能試驗機27
• 2.2.2 CETR-APEX納米壓痕儀27-28
• 2.2.3 TESCAN VEGA II LMU掃描電子顯微鏡28-29
• 2.3 四點彎曲實驗29-30
• 2.3.1 實驗準(zhǔn)備29-30
• 2.3.2 實驗結(jié)果與討論30
• 2.4 緊湊拉伸實驗30-34
• 2.4.1 實驗準(zhǔn)備30-33
• 2.4.2 實驗結(jié)果與討論33-34
• 2.5 觀察實驗34-37
• 2.5.1 實驗準(zhǔn)備34
• 2.5.2 實驗結(jié)果與討論34-37
• 2.6 納米壓痕實驗37-39
• 2.6.1 實驗準(zhǔn)備37
• 2.6.2 實驗結(jié)果與討論37-39
• 2.7 本章小結(jié)39-41
• 3 骨各向異性斷裂的分形分析41-51
• 3.1 引言41
• 3.2 分形斷裂力學(xué)的簡單介紹41-42
• 3.3 骨沿三個不同方向斷裂時的裂紋偏轉(zhuǎn)分形模型42-46
• 3.3.1 骨沿三個不同方向斷裂時的斷面分析42-45
• 3.3.2 骨三個方向的裂紋偏轉(zhuǎn)分形模型45-46
• 3.4 裂紋分叉的分形模型46-48
• 3.5 系帶橋聯(lián)的分形模型48-50
• 3.6 本章小結(jié)50-51
• 4 骨各向異性斷面的分形維數(shù)和紋理特征參數(shù)51-59
• 4.1 引言51
• 4.2 原理及方法51-54
• 4.2.1 斷面分形維數(shù)測量方法51-52
• 4.2.2 空間灰度共生矩陣與斷面紋理分析原理52-54
• 4.3 計算與討論54-57
• 4.3.1 斷面分形維數(shù)的計算與討論54-56
• 4.3.2 斷面紋理的灰度共生矩陣分析與討論56-57
• 4.4 本章小結(jié)57-59
• 5 密質(zhì)骨應(yīng)力場及裂紋擴展的有限元分析59-69
• 5.1 引言59
• 5.2 密質(zhì)骨中應(yīng)力的多尺度有限元分析59-63
• 5.2.1 多尺度有限元方法的原理59-60
• 5.2.2 骨的多尺度模型60-62
• 5.2.3 分析結(jié)果62-63
• 5.3 骨中裂紋的擴展有限元分析63-68
• 5.3.1 擴展有限元方法的介紹63-64
• 5.3.2 骨的擴展有限元模型的建立64
• 5.3.3 黏合線對哈弗氏管邊緣處裂紋擴展規(guī)律的影響64-66
• 5.3.4 黏合線對骨間質(zhì)處裂紋擴展的影響66-68
• 5.4 本章小結(jié)68-69
• 6 骨細胞腔隙微結(jié)構(gòu)與骨裂紋的關(guān)系69-77
• 6.1 引言69
• 6.2 漸進失效分析方法的介紹69-70
• 6.3 掃描電鏡觀察結(jié)果70-71
• 6.4 數(shù)值模型的分析71-73
• 6.5 結(jié)果分析與討論73-76
• 6.6 本章小結(jié)76-77
• 7 密質(zhì)骨彈性模量的多尺度分析77-85
• 7.1 引言77-78
• 7.2 基于M-T方法分步計算復(fù)合材料有效性能的原理78-79
• 7.2.1 M-T方法計算單一夾雜的復(fù)合材料有效彈性模量78-79
• 7.2.2 分步計算多夾雜復(fù)合材料的有效彈性模量79
• 7.3 骨單元單個骨板的有效彈性模量的計算79-84
• 7.4 本章小結(jié)84-85
• 8 骨的纖維繞孔微結(jié)構(gòu)及仿生研究85-91
• 8.1 引言85
• 8.2 掃描電鏡觀察結(jié)果85-86
• 8.3 彈性力學(xué)分析圓孔周圍的應(yīng)力分布86-87
• 8.4 有限元分析87-89
• 8.5 仿生纖維繞孔復(fù)合材料的制備和測試89-90
• 8.6 本章小結(jié)90-91
• 9 骨的層狀微結(jié)構(gòu)的仿生研究91-97
• 9.1 引言91
• 9.2 掃描電鏡的觀察結(jié)果91
• 9.3 仿生層狀纖維-陶瓷復(fù)合材料的制備和測試91-92
• 9.4 結(jié)果分析與討論92-95
• 9.5 本章小結(jié)95-97
• 10 結(jié)論及展望97-101
• 10.1 全文總結(jié)97-99
• 10.2 展望99-101
• 致謝101-103
• 參考文獻103-111
• 附錄111-113
• A. 各向同性基體中的Eshelby張量111
• B. 橫觀各向同性基體中的Eshelby張量111-112
• C. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文112-113
• D. 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項目113

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本文編號：718386