牙釉质及皮质骨微观结构与断裂性能的关系及其仿生材料设计

Enamel and cortical bone possess complex hierarchical structure, which determines the superior mechanical properties. This research proposal is focused on the influences of hierarchical structure on the fracture mechanical performance, and bio-inspired materials design based on the hierarchical structure of enamel and cortical bone. Firstly, fracture mechanical properties of cortical bone is determined based on the experiment and the fracture mechanical model of cortical bone is proposed. Then the micropillor compression experiments performed on the rod of enemel and cortical bone,the constitutive models of protein and hydroxyapatite crystals are developed and the model of non-self-similar hierarchical structure of enamel and cortical bone is proposed. Then, utilizing this model, the stiffness, strength, plastic energy dissipation, and shear stress distribution in matrix during the loading procedure are calculated when enamel and cortical bone are subjected to dynamic loading, with the purpose of revealing the deformation mechanisms and the mechanical advantages of the unique hierarchical structure. The crack path and crack growth resistance curves are calculated to explore the fracture mechanisms. Finally, the mechanical properties of several different materials with non-self-similar hierarchy are analyzed using numerical simulations, and the materials design principle for designing engineering materials with high strength and enhanced toughness simultaneously is proposed.

骨和牙釉质等生物硬组织材料具有独特的微观结构,这种结构决定了其良好的力学性质。本项目拟研究牙釉质和皮质骨分层结构对其断裂力学性质的影响，探索各种设计参数对力学性质的影响以及其在仿生材料设计的应用。首先开展皮质骨的I型裂纹扩展试验，确定其宏观上断裂力学性能，发展皮质骨宏观上的断裂力学模型。其次开展皮质骨和牙釉质的微柱压缩试验，发展蛋白质和羟基磷灰石晶体的本构模型，建立牙釉质和皮质骨非自相似分层结构的断裂力学模型。计算裂纹在牙釉质和皮质骨中扩展的路径和裂纹扩展阻力曲线，揭示其断裂机理，分析牙釉质和皮质骨分别在静态和动态载荷作用下直至发生破坏时的刚度、强度、塑性能量耗散和加载过程中基底相的剪应力分布，揭示牙釉质和皮质骨的变形机理以及其特殊的分层结构的优势。最后基于牙釉质和皮质骨这种特殊微观结构所具有的力学性质，为设计具有高强度和高韧性的工程材料提供依据。

皮质骨和牙齿既坚硬又有很高的韧性，对人和动物在自然界中的生存起着着重要作用。这两种生物硬组织材料主要由坚硬且脆的羟基磷灰石晶体、柔韧的蛋白质组成。这两种物质以及水通过一定的结构构成的生物硬组织材料既有很高的刚度，也具有极高的韧性。这与二者的特殊的微观结构有关。皮质骨和牙釉质都具有出复杂的多层次结构，在每个分层上可近似看成增强相通过一定的方式排列镶嵌在蛋白质中。而常见的工程材料要么刚度很高的材料断裂韧性低，要么断裂韧性高的材料刚度低，很难二者兼具。而制造出一种刚度和断裂韧性兼具的工程材料具有广阔的应用前景。因此研究出这两种硬组织材料的微观结构和其力学关系对于仿生材料的设计非常有意义。..本项目研究结果表明，外力作用下矿物晶体短轴处蛋白质易产生微裂纹，并随着载荷的增加发生偏折。裂纹扩展过程在蛋白质中进行，呈现出明显的桥联现象。这种裂纹偏折和桥联是硬组织的重要增韧机制。此外矿物晶体非一致排列现象也对裂纹扩展的影响。研究结果表明当 时，θ对材料的刚度影响很小，当θ>40o时，材料的刚度随着θ的增大而减小，其极限拉伸应变随着θ的增大而增大。当θ>0o时，裂纹在增强项两侧蛋白质扩展过程中有不对称现象，矿物晶体长轴偏转的一侧裂纹相对更容易扩展。生物硬组织材料中的非自相似分层次结构使得材料中的裂纹分布变得不均匀，因此硬组织材料中的非一致排列现象可使得材料在外载荷作用下发生局部破坏而非灾难性脆断。