不同食性哺乳动物牙齿的摩擦学特性、力学性能对比分析

发布时间：2016-05-11 06:40

第一章  绪论 

1.1  选题的背景及意义
哺乳动物作为当今世界上躯体结构、功能行为最为复杂的高级动物类群[1,2]，经过几百万年自身及外界的演变，进化出了许多与外界环境相适应的结构、形态等特性，这些特性为人们在工程学领域方面的设计与研发提供了良好的灵感和优秀的蓝本[3-6]。哺乳动物按营养方式分类可以分为：食肉动物、杂食动物和食草动物三种类型，而牙齿作为哺乳动物猎食和进食最不可或缺的器官组织，始终伴随着动物自身的进化演变而变得与其生活习性更加息息相关。 自古以来，对于哺乳动物牙齿的认识和利用就已经与人们的生活紧密地联系在一起，比如：人牙的健康与饮食密切相关，狼牙、虎牙等可以用来避邪，象牙制成昂贵的生活器具，猪牙是我国秦腔牙技不可缺少的组成部分，等。进入现代社会，随着科学技术的迅猛发展，对于哺乳动物的牙齿研究和应用不再仅仅局限于它的象征意义和作为简单道具的使用，而是从它的结构形态、材料组成、微观结构和力学特性等出发，应用于现代科学与工程领域，比如：基于河狸门齿结构形态的特性应用到电火花强化涂层木工刀具上，用猪牙代替人牙进行大规模的医学实验，根据食人鱼牙齿的构形及硬度特性设计仿生剪刀等。 虽然对于哺乳动物牙齿的认识与研究越来越多，但是也有一些不足之处，例如：关于哺乳动物牙齿的研究主要集中在工程和医学领域，具有一定的局限性；关于哺乳动物牙齿的研究都是零碎的、不系统的，，仅仅看到某一动物牙齿的表面现象才开始考虑研究应用等。 本文的研究主要从解决以上问题作为出发点，系统地对三种食性的哺乳动物（食肉动物、杂食动物、食草动物）的牙齿的基础特性进行全面地研究分析并总结规律，为以后的关于哺乳动物牙齿的仿生研究应用提供基础实验依据。本文所选用的三种食性的哺乳动物分别为食肉动物的狗、杂食动物的猪和食草动物的梅花鹿。 
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1.2  相关研究的国内外现状
生物摩擦学（Bio-tribology）是 Dowson[7-8]等于 1973 年首次提出来的，定义如下：研究与生物系统相关的所有摩擦学问题[9]。具体是指基于生物体材料的流变性质，以生物的摩擦、粘附和润滑为中心，研究摩擦学行为及其与生物结构，生物材料等特征之间的相互关系的一门学科[10-13]。生物摩擦学是一门新兴的交叉学科，它涉及广泛，比如医学、材料学、生物学、摩擦学、机械学等，主要分为人体生物摩擦学和仿生摩擦学两大类[14]。 人体生物摩擦学顾名思义是指人体特定领域的生物摩擦学，它的研究领域主要包含以下 3 个方面：（1）研究人体内组织与器官组成的摩擦副。如两个关节之间的摩擦，肌肉与骨骼之间的摩擦，角膜和眼睑之间的摩擦，等。研究的主要目的是理解掌握摩擦学的机理，并将获得的成果用于修复重建受损和衰退的组织器官。（2）研究人体内组织与人造器官组成的摩擦副，即生命体和非生命体组成的摩擦副。如天然牙与人工义齿、眼睑与人工角膜、足底皮肤和鞋袜等，研究的主要任务是防止这些非生命体对人体造成二次伤害。（3）研究在人体环境中工作的人工摩擦副，起主要作用的都是人工材料。如人工关节、人工心脏瓣膜等，这方面的主要工作是预防人工摩擦副通过摩擦产生的摩擦热、磨粒等通过人体液体介质漫布全身，对人体产生严重不良影响[15-17]。 仿生摩擦学的主要研究对象是自然界中的生物系统，主要目的是研究它们自身存在的奇异摩擦学现象，从中获取灵感和启发，并将研究成果应用到工程技术领域，这就是仿生摩擦学的由来。仿生摩擦学研究的重点主要包括以下 3 个方面[18]：（1）关于流固界面的黏附与自清洁，这主要与摩擦学中的润滑密切相关。Barthlott[19]等研究并发现了“荷叶效应”，这在疏水材料的研究开发上得到了非常广泛的应用。（2）关于生物脚掌与固体表面的黏附仿生摩擦，壁虎等动物脚掌上附有刚毛，Gorb[20]等以壁虎为仿生原型，研究设计了一种人工刚毛，能够附着在的光滑表面。（3）关于生物表面磨损特性的仿生摩擦学，沙鱼（sandfish）在沙漠中能够快速穿行与它的特殊表面密切相关，Rechenberg[21]等研究发现沙鱼表面的耐冲蚀磨损要强与钢和玻璃表面。
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第二章  试验方法 

2.1  试验材料的选取与制备 
2.1.1  试验材料 
狗的门齿、犬齿和臼齿（选用长春市 6~7 个月的中原太行犬）；猪的门齿、犬齿和臼齿（选用长春市 10~12 个月的长白猪）；鹿的门齿、犬齿和臼齿（选用长春市 12~16个月的家养梅花鹿）。为了消除因所选物种年龄问题而出现的误差，经查阅相关文献可知，狗的平均寿命为 10~15 年，从出生 6~12 个月可以达到性成熟，猪的平均寿命约为 20 年，从出生 5~12 个月可以达到性成熟，鹿的平均寿命约为 20 年，从出生 18~24个月可以达到性成熟。因此，选用的物种年龄如上所示。 
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2.1.2  试样制备
在制备试样之前，要先将分离出的牙齿进行清洗处理后置于蒸馏水中并保存在冰箱恒温室内以备用，温度设置为 4℃。在制样过程中，要先用电动打磨机（GWS8-125C，BOSCH 公司，德国）切除牙齿的齿根部分。随后制备成两种平面试样：（1）纵剖面（如图 2.1a 中的 A 区域），在水冷却条件下用精密切割机（IsoMet? 4000，BUEHLER公司，美国，如图 2.2）以牙尖为起点牙根为终点的中轴线纵剖为两半，将此剖开的平面作为试验面，然后用液态树脂将试样（纵剖面朝下）包埋在尺寸为 30 ㎜×30 ㎜×20 ㎜的特制模具中，得到牙齿试样（如图 2.1b）；（2）颌面（如图 2.1a 中的 B 区域），在水冷却条件下用切割机将牙冠以下全部切除，仅将牙冠部分包埋得到牙齿试样（如图 2.1c）。待包埋用树脂材料完全凝固硬化之后将试样取出，先后采用 400#、600#、800#、1500#、2000#的勇士牌砂纸在水冷却条件下进行打磨，形成约为 2 ㎜×2 ㎜的试验面（此试验面因牙齿种类的不同而所处位置也不同）， 并用研磨抛光机（Metaserv250，BUEHLER 公司，美国，如图 2.3）进行抛光，直至表面粗糙度 Ra低于 0.2μm 为止（通过上海泰明光学仪器有限公司生产的 JB-5C 型粗糙度轮廓测试仪测得），此抛光机能够进行精细抛光，可以减少牙齿试样表面的损伤。在制备试样的过程中，要使用无水乙醇和蒸馏水轮流清洗产生的污垢。 
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2.2  试验仪器及装置
摩擦磨损试验主要在摩擦磨损试验机（UMT，CETR 公司，美国）上进行，试验仪器如图 2.5 所示。该仪器可以满足大部分金属、塑料、陶瓷、涂层等的摩擦学和机械测试需求，能测得的主要参数为负载（伺服控制）、摩擦力，力矩和系数（静态和动态）、磨损量和磨损率、接触高频声发射和电子接触电阻等。牙齿“微观”力学性能试验主要在低载荷原位纳米力学测试系统（Triboindenter，Hysitron 公司，美国）上进行，试验仪器如图 4.1 所示。该仪器可以进行精确纳米尺度测量力学属性如硬度，弹性模量，摩擦，耐磨性和粘合强度，可以实现材料评价尺度从超薄薄膜到块体积材料，同时也提供了原位扫描探针显微成像一起进行定量纳米压痕和纳米划痕测试。 
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第三章  牙齿的摩擦学特性对比研究 ...... 19 
3.1  试验简介 ...... 19 
3.2  试验材料的选取和制备 .......... 19 
3.3  摩擦磨损机理介绍 .... 19 
3.3.1  摩擦定律及机理 ......... 19 
3.3.2  磨损定律及机理 ......... 20 
3.4  试验结果与分析 ........ 22
3.5  本章小结 ...... 35 
第四章   牙齿的力学性能对比研究 ........ 37 
4.1  试验简介 ...... 37 
4.2  试验材料的选取和制备 .......... 37 
4.3  维氏硬度 ...... 37 
4.3.1  维氏硬度简介 ...... 37 
4.3.2  维氏硬度测量 ...... 39 
4.4  纳米压痕技术 ..... 40
4.5  试验结果与分析 ........ 44
4.6  本章小结 ...... 52 
第五章  牙齿的划痕测试对比研究 .......... 55 
5.1  试验简介....... 55 
5.2  试验材料的选取和制备.... 55 
5.3  试验结果与分析......... 56
5.4  本章小结....... 67  

第五章  牙齿的划痕测试对比研究

5.1  试验简介

涂层与基体之间界面结合力的大小是衡量涂层好坏的重要指标之一，其中对界面结合力的测量和评测是材料学方面的一个重要问题[93,94]。目前，测量涂层与基体之间界面结合力大小的方法有如下几种：划痕法、压入法和激光冲击法[95,96]，其中划痕法是最常用的方法，它可以高效地测定涂层和基体的结合特性，同时具备多种形式的监测方法且重复性较好，是一种成熟的试验方法。“临界载荷”(Lc)，是利用划痕法进行测量的最重要指标，这是因为它与基体间的界面附着功和剪切强度存在一定的关系[97,98]。在划痕测试试验中，存在多种因素会对临界载荷产生影响，比如：涂层的材料与厚度、基体的材料与硬度及基体的表面粗糙度等。 众所周知，牙齿作为一种复杂的复合生物材料，虽然具有梯度特性、各向异性和多功能等特点，但是依然可以分为牙釉质、釉质牙本质界、牙本质。本文将牙釉质、釉质牙本质界、牙本质近似看做涂层与基体的关系，用划痕法对不同食性哺乳动物的牙齿釉质进行划痕测试。不同食性哺乳动物牙齿的划痕测试主要在 CSM 公司生产的Revetest Xpress 型划痕测试仪上进行，在纵剖面上进行刻划，划痕从齿尖一侧开始，到齿根一侧结束。 

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结论 

本文主要以食肉动物的狗、杂食动物的猪和食草动物的梅花鹿的牙齿为研究对象，利用摩擦磨损试验机以 Si3N4陶瓷球与牙齿试样对磨并结合共聚焦激光扫描显微镜测量磨损表面深度进行牙齿的摩擦学特性测试，采用维氏硬度计、纳米力学测试系统对牙齿的力学性能进行研究，通过划痕测试仪测得牙齿的结合强度，结合生物摩擦学、纳米力学理论、生物材料学、试验优化设计等理论方法系统地对以狗、猪、鹿为代表的三种食性哺乳动物的牙齿进行研究，主要得出以下结论：
1)  三种动物牙齿的摩擦因数随时间变化的曲线都可以分为三个阶段：①接触初期，摩擦因数缓慢增大阶段，这是因为在与 Si3N4陶瓷球接触的初期，三种动物牙齿的釉质表面粗糙度很低，因此刚开始三种动物牙齿的摩擦因数较小；②经过一段时间，摩擦因数迅速增大阶段，出现上述情况是受牙齿矿化程度和釉柱晶体致密度不同的影响；③随着时间的增加，摩擦因数最终稳定阶段，随着试验的进行，从牙齿釉质表面上剥落下来的片状釉质受到反复挤压而使尺寸变得更加细小，此时的细小釉质颗粒起到了润滑作用，使得牙釉质与 Si3N4陶瓷球间的磨损强度降低，摩擦因数进入稳定阶段。 
2)  三种动物牙齿的釉质纵剖面经过摩擦磨损试验之后，形成了类似于椭圆形的磨斑，主要的磨损形式有疲劳磨损、粘着磨损和磨粒磨损。根据磨损表面的形貌可以粗略判断这种牙齿的耐磨性，磨损表面形貌的特征主要有磨屑剥落、龟裂现象和细小磨粒等。牙齿耐磨性的好坏与釉柱的致密程度和排列形式密切相关。 
3)  通过共聚焦激光扫描显微镜对试验之后牙齿的磨损表面深度测量，根据深度的大小可以精确判断牙齿的耐磨性。最终测得，门齿中猪门齿的耐磨性略好于鹿门齿，狗门齿的耐磨性最差；犬齿中耐磨性的排列顺序是：狗犬齿＞猪犬齿＞鹿犬齿；臼齿中鹿臼齿的耐磨性最好，猪臼齿次之，狗臼齿最差。三种动物牙齿耐磨性好坏的排列顺序与维氏硬度的顺序一致，说明硬度大的这三种动物牙齿耐磨性也好。 
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参考文献(略)

本文编号：43793