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三种生物梯度材料纳米力学特性及仿生模型

王悦明  
【摘要】:经过35亿年的进化过程,生物材料具有优异力学性能,为科学家设计新材料提供了灵感,一直是材料仿生学的学习对象。生物材料是复杂的复合材料,具有梯度特性和多功能等特点,由普通成分所组装却具有优异的力学性能,其中多由脆性组分(通常是矿物)和韧性(有机)组分所构成。然而对生物材料进行的仿生不能只是简单的模仿与照搬,因为自然界中的生物材料不仅提供优异的性能而且能满足特定生物约束的需要,所以应在物理约束和生物约束情况下研究生物系统,探索生物材料的特性与功能之间的关系,也就是说生物材料特性与其功能集成特征研究是仿生材料研究的基础。 力学特性对于生物材料功能性来说非常重要,纳米力学分析方法是近年随着纳米科技发展出现的新技术,对于那些采用传统方法很难测量其力学性能的材料,以及多尺度复杂生物系统的测试来说已证明是有效的工具。天然生物材料的力学性能研究逐渐从宏观尺度认识向微观、纳观尺度认识方向过渡发展,材料在纳观尺度上的性能明显不同于在宏观甚或微观尺度上的性能。生物材料一般都属于粘弹性材料,用传统的力学测试系统很难直接获得与其特性相关的特征值,随着纳米测试技术的进步,拓宽了对材料性能的测量范围,使得人们能够在微牛及纳牛尺度下测量天然生物材料的力学特性。 本论文以牛角,臭蜣螂鞘翅及鲍鱼壳体三种生物梯度材料为主要研究对象,首先对样品进行制备。用精密切割机分别对牛角,臭蜣螂鞘翅及鲍鱼壳体进行横向和纵向切割,并放入环氧树脂与固化剂4:1比例混合的混合液中进行样品的制备,制备过程包括粗抛,精抛等过程。 通过试验获得了最佳的加载速率及保压时间。由于蠕变现象的发生,在进行纳米力学测试时需要考虑保压时间及加载速率对材料弹性模量及硬度值的影响,通过试验分析可得出进行纳米力学试验时,牛角样品的保压时间为20s,加载速率为500μN/s;臭蜣螂鞘翅样品的保压时间为10s,加载速率为300μN/s;鲍鱼壳体样品的保压时间为10s,加载速率为750μN/s。 探讨了层状复合结构的准静态纳米力学性能变化规律。对牛角,臭蜣螂鞘翅及鲍鱼壳体横切及纵切方向进行纳米力学性能测试,结果表明三种材料弹性模量及纳米硬度由内层到外层均呈大幅度上升趋势。牛角横切方向外层弹性模量和纳米硬度分别是内层的1.54倍和2.49倍;纵切方向外层弹性模量和纳米硬度分别是内层的1.56倍和2.21倍。通过横切及纵切方向弹性模量及硬度值的比较,纵切方向弹性模量的变化趋势比横切方向稍大,但横切方向硬度的变化趋势大于纵切方向。臭蜣螂鞘翅横切方向外层弹性模量和纳米硬度分别是内层的4.99倍和8.33倍;纵切方向外层弹性模量和纳米硬度分别是内层的5.11倍和14倍。通过横切及纵切方向弹性模量及硬度值的比较,纵切方向弹性模量的变化趋势比横切方向稍大,但硬度的变化趋势明显大于横切方向。鲍鱼壳体横切方向外层弹性模量和纳米硬度分别是内层的1.37倍和2.24倍;纵切方向外层弹性模量和纳米硬度分别是内层的1.71倍和2.73倍。通过横切及纵切方向弹性模量及硬度值的比较,纵切方向弹性模量及硬度的变化趋势都比横切方向大。 系统地对三种生物材料纳米力学性能进行比较分析。结果表明三种生物材料的力学特性与其材料组分,结构特性,生存环境及功能不同有关。 探索了三种生物材料动态纳米力学特性中损耗模量及存储模量与频率的关系。对三种生物材料进行动态纳米力学测试,结果表明损耗模量比存储模量对频率变化更敏感。并对三种生物材料动态存储模量及损耗模量随频率的变化曲线进行拟合。 研究了三种生物材料粘弹性性能。对三种生物材料松弛特性进行系统的分析,建立Fung—Kelvin模型,并对其进行拟合得出松弛函数,并建立微分本构方程,对设计具有优异力学性能的仿生复合材料或涂层具有重要意义。 最后对三种生物材料进行优化模型提取,考察其在均布载荷及集中载荷作用下力学行为。 本文对几种生物轻质高强梯度材料进行研究,为仿生梯度材料的设计提供仿生学基础,然而本研究只是一个开端,关于生物梯度材料需要进一步的探索研究。生物梯度材料作为仿生研究中重要的研究领域,还有很多具有价值的特征未被人们认识,例如生物材料的研究时,其表面形貌、微观结构、各部分间接合相和材料力学性能的深入研究,其成果将丰富生物力学和工程仿生的学科内容,对发展新型仿生材料和机械部件仿生理论与技术具有重要意义。


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