密质骨多级微纳米结构力学行为跨尺度综合研究

Through the natural choices and evolutions over many centuries, compact bone exhibits excellent comprehensive mechanical properties, which simultaneously possesses high strength, rigidity and fracture toughness. The excellent comprehansive mechanical properties are closely related to the highly optimized hierarchical micro/nano-meter structures of the bone. This research project is to develop the micromechanical and multiscale theories, models, computational methodes and experimental technologies of composites, and apply them to trans-scale and comprehensively investigate the relationship between the excellent comprehansive mechanical properties and the hierarchical micro/nano-meter structures of the bone and reveal the multi-mechanisms of the excellent comprehansive mechanical properties related to the hierarchical micro/nano-meter structures. Based on the investigation, the exploration of biomimetic composites will also be conducted. This research project is significant to develop the micromechanical and multiscale theories, models, computational methods and experimental technologies of composites and reveal the multi-mechanisms of the excellent comprehansive mechanical properties of the bone as well as develop high-performance biomimetic composites.

经过若干世纪的选择进化，生物复合材料密质骨具有优良的综合力学性能，同时具备高的强度、刚度及断裂韧性。密质骨优良综合力学性能密切相关于其内部高度优化的多级微纳米结构。本项目发展和运用复合材料细观力学及多尺度分析的理论、模型、计算方法和实验技术，跨尺度综合研究密质骨优良力学性能与其多级微纳米结构的关系，揭示其非均匀多级微纳米结构的多机制强韧机理。在此基础上进行仿生复合材料研究。本项目对于发展复合材料细观力学及多尺度分析理论、模型、计算方法及实验技术，深层次揭示密质骨非均匀多级微纳米结构的多机制强韧机理及开发高性能仿生复合材料具有重要意义。

经过若干世纪的选择进化，生物复合材料密质骨具有优良的综合力学性能，同时具备高的强度、刚度及断裂韧性。密质骨优良综合力学性能密切相关于其内部高度优化的多级微纳米结构。本项目首先利用细观仪器设备，对数种典型密质骨进行了多尺度地细观观察，发现其中存在不同尺度下的多种非均匀微纳米结构。如在一级尺度下的微米骨单元哈弗森管及腔隙多孔结构，二级尺度下的微纳米矿化胶原纤维构成的交叉、螺旋及绕孔结构，三级尺度下的不同形状的纳米矿化胶原纤维和其构成的平行结构以及它们在纤维层间的桥联。也利用宏细观仪器设备，对密质骨进行了多种宏细观力学行为测试，结果显示密质骨宏细观力学行为密切相关于其多级微纳米结构的比份、形状、尺寸、方向、分布和位置关系。针对在密质骨中发现的在不同尺度下的代表性微纳米结构,发展和应用复合材料细观力学的分析理论及跨尺度分析方法，分析和探索了密质骨宏细观力学行为与其多尺度非均匀微纳米结构的关系。其中包括采用多尺度有限元方法及扩展有限元方法计算分析骨细观力学行为和采用渐进失效分析方法分析骨腔隙结构与骨断裂力学行为的关系。研究结果表明正是由于密质骨中存在的不同尺度下的多级优良及合理的微纳米结构，使密质骨具有优良的综合力学性质，揭示了密质骨非均匀多级微纳米结构的多机制强韧化机理。在对密质骨多尺度微纳米结构实验及模型分析基础上，针对发现的在不同尺度下的代表性密质骨微纳米结构，进行了仿生复合材料设计和制备，成功制备数种有应用前景的仿生复合材料。比较实验表明，仿生复合材料比常规复合材料有更优良的综合力学性质。研究结果对发展复合材料微纳米力学、多尺度分析理论、计算与实验方法及发展高性能仿生复合材料具有重要意义。本项目也发展和应用分形理论及灰度共生矩阵特征参数，分析了密质骨各向异性力学行为与其不同方向微纳米结构的关系，结果表明密质骨与方向有关的微纳米结构决定了密质骨各向异性的力学性质。