密质骨各向异性及其强韧机理研究

发布时间：2017-08-22 09:34

  本文关键词：密质骨各向异性及其强韧机理研究

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【摘要】：哺乳动物的骨是一种由胶原纤维、羟基磷灰石、无定形胶原基质和水等组成的自然生物复合材料。经过若干世纪的选择进化,骨具有了高的强度、刚度及断裂韧性,为动物躯体的支撑和运动的完成起到了不可缺少的重要作用。人们发现尽管组成骨的原始材料及成分的力学性质并不好,但是自然进化的神奇作用,使得这些材料和成分得到优化的组合与分布,形成了各种优良的微结构,这些优良微结构使骨具有了强韧兼备、功能互补的优良力学性质。对骨生物复合材料各种优良微结构的深入研究,将为人工合成高性能复合材料提供有益指导。本文以天然生物复合材料密质骨为研究对象,通过力学测试、观察实验、模型分析、数值模拟和仿生实验相结合的方法,研究了骨的多级微纳米结构与其力学行为的关系,揭示了骨多级微纳米结构的强韧机理,提出了高性能复合材料仿生制备的新思路。本文的主要工作及结论如下:①通过四点弯曲实验、紧凑拉伸实验、纳米压痕实验测试骨在不同方向上的宏微观力学性质,并用光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察骨在沿不同方向断裂时的断裂路径和微结构特征。结果表明骨具有明显的各向异性性质。在宏观尺度上,骨在横向上的断裂功最大,纵向次之,径向最小。在微观尺度上,骨的轴向的硬度和弹性模量比横向的硬度和弹性模量大。骨的各向异性性质与骨的微结构密切相关。骨单元及其表面黏合线与骨的断裂面的不同方向关系造成骨中的裂纹发生不同程度的偏转,这是骨具有宏观各向异性性质的主要原因。而骨板中矿化胶原纤维的不同方向是骨具有微观上各向异性性质的主要原因。②基于三个不同方向断面的SEM照片,认为骨裂纹扩展路径具有统计自相似的特征,建立骨沿三个不同方向断裂时裂纹偏转的分形模型,用分形理论中的能量耗散计算方法,计算了骨沿三个不同方向断裂时耗散的能量,分析计算的结果与弯曲实验得到的结果有很好的一致性。根据扫描电镜观察到的骨中裂纹扩展情况,建立裂纹分叉分形模型和系带桥联分形模型,定量分析了骨中裂纹分叉增韧机理和系带桥联增韧机理,研究发现骨中裂纹分叉和系带桥联都能增加骨的裂纹临界扩展力和断裂韧性。③针对由四点弯曲实验得到的骨三个方向断面的SEM照片,通过Matlab编程算出三个断面的分形维数和相应的灰度共生矩阵的特征参数(角二阶矩、对比度、熵、逆差矩)。结果表明横向断面分形维数最高,纵向次之,径向最小。分形维数能反映骨的断面形貌的复杂程度和粗糙度水平。且随着分形维数的增加,断裂功增加。灰度共生矩阵的四个特征参数能精确地描述骨的断面形貌的某一特征,具有很好的纹理表达能力。将分形维数和灰度共生矩阵参数结合起来组成多维特征集,可以较完整地描述骨的断裂表面的形貌特征,可望实现骨断面类型的自动分类识别。④采用多尺度有限元方法,分析了宏观股骨在受到外力作用时,股骨密质骨中的微观骨单元及骨间质处的应力分布,得出在骨单元的哈弗氏管边缘处及骨单元之间的骨间质处存在应力集中的结论。然后根据材料应力集中处易萌生裂纹,假设在哈弗氏管边缘处及骨单元之间的骨间质中存在裂纹,采用扩展有限元方法,分析了骨中的黏合线对这些裂纹扩展规律的影响。计算结果表明骨中黏合线的存在使裂纹扩展发生偏转和裂纹长度缩短,且使裂纹扩展需要更大的应力和应变值,这些都说明黏合线的存在,提高了骨的抗断裂能力。⑤采用渐进失效分析的方法,以ABAQUS 6.13有限元软件为计算平台,利用FORTRAN语言编制USDFLD子程序,并嵌入ABAQUS有限元软件中,分析了三种不同的骨单元模型的损伤失效过程。三种骨单元模型分别是环向腔隙结构模型、径向腔隙结构模型和圆形腔隙结构模型。结果表明主轴平行于环形骨板的椭圆形腔隙结构是一种优化结构,它决定了微裂纹产生的位置及扩展的方向,使微裂纹沿着骨单元环向扩展,从而避免其进入哈弗氏管造成骨单元的破坏。⑥基于Mori-Tanaka(M-T)法,分步计算了密质骨在纳观尺度和亚微观尺度上的有效弹性模量,即纳观尺度上骨的胶原纤维和矿化胶原纤维的有效弹性模量和亚微观尺度上骨单元骨板的有效弹性模量。算出的骨单元骨板弹性模量与本文纳米压痕测试结果基本一致。⑦通过弹性力学分析和有限元模拟,发现骨中的纤维绕孔结构能增强孔洞处的强度和韧性。基于实验观察与模型分析,用高强玻璃纤维和环氧树脂进行了纤维绕孔仿生复合材料层合板的制备,将得到的绕孔复合材料层合板与钻孔复合材料层合板进行极限拉伸强度的比较测试,结果显示绕孔复合材料层合板的极限拉伸强度明显大于钻孔复合材料层合板的极限拉伸强度。⑧根据骨中由羟基磷灰石片和矿化胶原纤维组成的层状微结构,制备了层状仿生纤维-陶瓷复合材料,并用三点弯曲实验测试其力学性质,结果表明纤维和陶瓷片组成的层状结构是一种优化结构,它能吸收和消耗断裂能量,承受较大破坏载荷。实验也表明纤维层数量越多,仿生层状纤维-陶瓷复合材料断裂时所消耗的能量越多,抵抗断裂破坏的能力越强。纤维拉伸强度越高,仿生层状陶瓷复合材料抵抗断裂破坏的能力也越强。
【关键词】：密质骨 各向异性 分形 强韧机理 仿生制备
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q811
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 研究背景11
• 1.2 骨的组成和骨的多级结构11-13
• 1.3 骨的基本力学性质研究13-18
• 1.3.1 骨基本力学性质的实验研究13-15
• 1.3.2 骨基本力学性质的理论研究15-18
• 1.4 骨的断裂力学性质及增韧机理18-21
• 1.5 本文的研究方法21-24
• 1.6 本文的主要研究内容及取得的成果24-27
• 2 骨的实验研究27-41
• 2.1 引言27
• 2.2 主要实验仪器介绍27-29
• 2.2.1 MTS858电液伺服动静万能试验机27
• 2.2.2 CETR-APEX纳米压痕仪27-28
• 2.2.3 TESCAN VEGA II LMU扫描电子显微镜28-29
• 2.3 四点弯曲实验29-30
• 2.3.1 实验准备29-30
• 2.3.2 实验结果与讨论30
• 2.4 紧凑拉伸实验30-34
• 2.4.1 实验准备30-33
• 2.4.2 实验结果与讨论33-34
• 2.5 观察实验34-37
• 2.5.1 实验准备34
• 2.5.2 实验结果与讨论34-37
• 2.6 纳米压痕实验37-39
• 2.6.1 实验准备37
• 2.6.2 实验结果与讨论37-39
• 2.7 本章小结39-41
• 3 骨各向异性断裂的分形分析41-51
• 3.1 引言41
• 3.2 分形断裂力学的简单介绍41-42
• 3.3 骨沿三个不同方向断裂时的裂纹偏转分形模型42-46
• 3.3.1 骨沿三个不同方向断裂时的断面分析42-45
• 3.3.2 骨三个方向的裂纹偏转分形模型45-46
• 3.4 裂纹分叉的分形模型46-48
• 3.5 系带桥联的分形模型48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 4 骨各向异性断面的分形维数和纹理特征参数51-59
• 4.1 引言51
• 4.2 原理及方法51-54
• 4.2.1 断面分形维数测量方法51-52
• 4.2.2 空间灰度共生矩阵与断面纹理分析原理52-54
• 4.3 计算与讨论54-57
• 4.3.1 断面分形维数的计算与讨论54-56
• 4.3.2 断面纹理的灰度共生矩阵分析与讨论56-57
• 4.4 本章小结57-59
• 5 密质骨应力场及裂纹扩展的有限元分析59-69
• 5.1 引言59
• 5.2 密质骨中应力的多尺度有限元分析59-63
• 5.2.1 多尺度有限元方法的原理59-60
• 5.2.2 骨的多尺度模型60-62
• 5.2.3 分析结果62-63
• 5.3 骨中裂纹的扩展有限元分析63-68
• 5.3.1 扩展有限元方法的介绍63-64
• 5.3.2 骨的扩展有限元模型的建立64
• 5.3.3 黏合线对哈弗氏管边缘处裂纹扩展规律的影响64-66
• 5.3.4 黏合线对骨间质处裂纹扩展的影响66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 6 骨细胞腔隙微结构与骨裂纹的关系69-77
• 6.1 引言69
• 6.2 渐进失效分析方法的介绍69-70
• 6.3 扫描电镜观察结果70-71
• 6.4 数值模型的分析71-73
• 6.5 结果分析与讨论73-76
• 6.6 本章小结76-77
• 7 密质骨弹性模量的多尺度分析77-85
• 7.1 引言77-78
• 7.2 基于M-T方法分步计算复合材料有效性能的原理78-79
• 7.2.1 M-T方法计算单一夹杂的复合材料有效弹性模量78-79
• 7.2.2 分步计算多夹杂复合材料的有效弹性模量79
• 7.3 骨单元单个骨板的有效弹性模量的计算79-84
• 7.4 本章小结84-85
• 8 骨的纤维绕孔微结构及仿生研究85-91
• 8.1 引言85
• 8.2 扫描电镜观察结果85-86
• 8.3 弹性力学分析圆孔周围的应力分布86-87
• 8.4 有限元分析87-89
• 8.5 仿生纤维绕孔复合材料的制备和测试89-90
• 8.6 本章小结90-91
• 9 骨的层状微结构的仿生研究91-97
• 9.1 引言91
• 9.2 扫描电镜的观察结果91
• 9.3 仿生层状纤维-陶瓷复合材料的制备和测试91-92
• 9.4 结果分析与讨论92-95
• 9.5 本章小结95-97
• 10 结论及展望97-101
• 10.1 全文总结97-99
• 10.2 展望99-101
• 致谢101-103
• 参考文献103-111
• 附录111-113
• A. 各向同性基体中的Eshelby张量111
• B. 横观各向同性基体中的Eshelby张量111-112
• C. 作者在攻读博士学位期间发表的论文112-113
• D. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目113

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本文编号：718386