牙釉质的微观结构与力学性质的关系及仿生材料设计

Enamel, the outermost layer of teeth, possesses complex hierarchical structure, which determines its superior mechanical properties. This research proposals is focused on the influences of hierarchical structure on the mechanical performance and on the effects of material parameters on the mechanical properties to identify the bio-inspired materials design pricinple based on the unique hierarchical structures. Firstly, the micropillar compression experiment of enamel is conducted to explore the mechanical properties of structures at different scales. The constitutive models of protein and hydroxyapatite crystals are developed and the model of non-self-similar hierarchical structure of enamel is proposed. Then, utilizing this model, the stiffness, strength, elastic strain energy, plastic energy dissipation, and shear stress distribution in matrix are calculated when enamel is subjected to static and dynamic loadings, with the purpose of revealing the deformation mechanisms and the mechanical advantages of the unique hierarchical structure. In addition, the fracture behavior of enamel is investigated, and micro-bending experiments on enamel micro-cantilever specimens are performed to identify the failure mechanisms. The fracture mechanical model for the materials with non-self-similar hierarchy is developed, and crack path and crack growth resistance curves are calculated to explore the fracture mechanisms. Finally, based on the mechanical properties of the materials with non-self-similar hierarchical structures, the materials design principle for designing engineering materials with high stiffness, high strength and enhanced toughness simultaneously is proposed.

牙釉质是牙齿最外层组织，具有复杂的分层结构，微观结构决定了其具有优良的力学性质。本项目拟研究牙釉质分层结构与力学性质的关系，发现各种设计参数对材料力学行为的影响，并探索基于特殊分层结构的仿生材料设计方法。首先，开展牙釉质的微柱压缩实验，确定不同尺度结构的力学性质。发展蛋白质和羟基磷灰石晶体的本构模型，建立牙釉质非自相似分层结构的力学模型。然后分析牙釉质在静态和动态载荷作用下的刚度、强度、弹性应变能、塑性能量耗散和基底相的剪应力分布，揭示牙釉质的变形机理以及其特殊的分层结构的优势。其次，开展牙釉质断裂力学性质研究，通过微悬臂梁弯曲实验研究破坏机理。建立描述非自相似分层结构材料的断裂力学模型，计算裂纹在牙釉质中扩展的路径和裂纹扩展阻力曲线，揭示其断裂机理。最后，基于非自相似分层结构材料的力学性质，提出能同时具有高刚度、高强度和高韧度的工程材料的设计原理。

牙釉质是具有复杂的多尺度分层结构的生物复合材料，表现出优良的力学性质。基于牙釉质的仿生材料设计方法为多功能工程材料的开发提供了指导。本项目通过实验与数值模拟相结合的方法研究了牙釉质的分层结构与力学性质的关系。我们设计了单根釉柱的微柱压缩实验，测量了釉柱的单轴应力-应变曲线，发现了其独特的应变强化后屈服行为。通过考虑矿物质晶体的非一致排列方式，建立了釉柱的多尺度力学模型，基于此模型的数值模拟揭示了矿物质晶体间的摩擦与互锁是导致釉柱呈现出应变强化后屈服行为的主要变形机理。进一步的关于釉柱在压缩载荷作用下损伤行为的数值模拟发现矿物质晶体集合的分层破坏是主要的损伤机理，其导致了釉柱的应变局部化。这种局部损伤模式抑制了釉柱的灾变性破坏的发生，保持了牙釉质的完整性，从而有利于其完成咀嚼食物的功能。另外，基于数值模拟我们建立了釉柱断裂的破坏准则：釉柱的断裂是由应变控制的，断裂发生在应变最大的区域，这一准则为建立牙釉质的断裂力学模型提供了帮助。通过考虑纳米结构特征，我们建立了牙釉质的纳米复合材料力学模型，揭示了矿物质晶体与蛋白质间界面的破坏与蛋白质塑性变形相互竞争的变形机理，这一机理决定了牙釉质纳米结构的韧度。我们进一步提出牙釉质是一种粘结-摩擦材料，并通过考虑蛋白质的应变强化行为、牙釉质内部微裂纹和由蛋白质剪切变形引起纳米结构的体积膨胀建立了包括牙釉质在内的类骨生物材料统一塑性变形理论。通过此理论研究了牙釉质在动态载荷作用下的力学性质。根据牙釉质分层结构与力学性质的关系，我们提出了非自相似分层的概念，并将此概念应用于高韧度仿生材料的设计中，探索了多种形式的非自相似分层结构材料，分析了相应的增韧机理。本项目的研究成果为同时具有高韧度和高刚度仿生材料的设计提供了新思路。