牙釉质止裂机理的力学实验技术研究

牙釉质具有独特显微结构，极高的硬度和耐磨性，研究牙釉质独特的阻止裂纹扩展能力对发展口腔修复技术和开发新型仿生材料具有重要意义，而发展适用于牙釉质等小尺度生物材料力学实验的测试技术则是开展此项研究的基础。本项目围绕牙釉质断裂力学实验开展相关的测试技术研究，首先开发复杂环境下快捷、稳定的数字图像相关算法，研制小尺度生物材料力学加载和三维变形测试平台。在此基础上，提出嵌入式牙釉质紧凑拉伸试件的制作方法，建立裂纹长度与裂尖应力强度的关系，用稳态裂纹扩展法测试牙釉质微观结构与其断裂韧度的关系；研究牙釉质的自修复能力，通过新颖的实验设计，测试牙釉质自修复速度与自修复牙釉质阻止裂纹扩展的能力；研究牙釉质微观结构与裂纹扩展速率的关系，采用疲劳实验，在水环境下测试牙釉质试件变形，运用数值模拟技术分析牙釉质微观结构阻止裂纹扩展的机理。通过对牙釉质断裂力学行为的研究，研制小尺度生物材料力学性能测试的科学设备。

牙釉质具有独特的微观结构和优良的力学行为，由于材料的尺寸限制，迫切需要研究新颖的微尺度力学实验技术，以探索牙釉质微观结构与宏观力学行为。本基金项目围绕这个主题，主要开展了这两方面的研究工作。在实验测试技术方面，基于数字图像相关方法，开发了微观光学应变测试系统，并用于薄壁金属材料E-N疲劳性能的动态测试，同时开发了生物材料力学测试系统，采用双相机，结合光学体视显微镜，运用立体视觉原理，研究快捷的相机标定算法；结合数字图像相关位移场和应变场算法，实现物体三维变形的精确测量。分析了各类误差对微观三维DIC测量的影响，形成了高精度的变形测量体系，该测试系统已经在国内多所大学推广使用。与此同时，开展了宏观三维DIC测量技术的探索，提出了可以确定大旋转量的的数字图像相关算法，在实验室内实现了对旋转物体三维运动的动态测量，并对大视场图像标定算法进行了探索。在牙釉质力学行为研究方面，利用纳米硬度和维氏硬度测试技术，研究了牙釉质的梯度力学行为。通过模拟压头的压入和卸载过程，获得了牙釉质的塑性力学参数和损伤程度，说明了深层牙釉质的增韧机制；根据牙釉质的微观结构，运用多尺度力学建模分析方法，首次发现了外层牙釉质在保证高刚度前提下具有高增韧的力学机理。牙釉质晶体具有多尺度结构，本研究发现了牙釉质微观结构中纳米釉柱排列方向与微米尺度的釉柱排列方向存在非一致性。数值模拟表明这种非一致性排列可以有效地在不影响材料刚度的前提下，增加牙釉质的韧度，这种非一致性排列是导致牙釉质材料具有高刚度、高韧度的重要原因之一。采用微柱压缩方法，研究了单个牙釉质受轴向压缩载荷的破坏机理，并结合数值计算方法，解释了牙釉质釉柱内部纳米晶体排列方向在受到外部载荷时，可以产生局部应力，通过局部破坏避免牙釉质釉柱的整体破坏机理。在此基础上，我们开展了仿生材料的设计探索，发现这种非一致性排列对多种工程材料有同样的效果，并且，进一步改进非一致性排列的角度，可以设计负泊松比材料，对设计高韧度人工材料具有重要意义。