密質(zhì)骨多尺度微結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為研究.pdf

1、經(jīng)過(guò)數(shù)千萬(wàn)年的自然選擇進(jìn)化，動(dòng)物的骨骼具有了高的強(qiáng)度、剛度及斷裂韌性。骨的優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)于其內(nèi)部多級(jí)微結(jié)構(gòu)，對(duì)骨優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)與其多級(jí)微結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究，可以為人造高性能仿生復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)。
　　本文通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、觀察實(shí)驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了骨優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)與其多級(jí)微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。本文的主要工作及得到的結(jié)論如下：
　　①通過(guò)單軸宏觀壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試了牛股骨密質(zhì)骨縱、橫向試樣的宏觀力學(xué)性質(zhì)，對(duì)比分

2、析了試樣取向、取樣位置及應(yīng)變率對(duì)密質(zhì)骨力學(xué)行為的影響，進(jìn)而對(duì)試樣的斷裂路徑及斷面進(jìn)行了宏觀與微觀觀察。力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，牛股骨密質(zhì)骨具有明顯的壓縮各向異性力學(xué)性質(zhì)。觀察結(jié)果表明，縱向試樣的斷裂路徑沿試樣的縱向，而橫向試樣的斷裂路徑與試樣縱向約為45o。橫向試樣斷裂表面的粗糙度較大，斷裂過(guò)程消耗的斷裂能較多?；趶?fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論，分析了骨縱向試樣彈性模量與極限強(qiáng)度大于橫向試樣彈性模量與極限強(qiáng)度的機(jī)理，說(shuō)明了密質(zhì)骨壓縮各向異性力學(xué)性質(zhì)與

3、其骨單元的方向密切相關(guān)。
　?、谕ㄟ^(guò)對(duì)牛股骨密質(zhì)骨四個(gè)不同方向試樣的宏觀彎曲實(shí)驗(yàn)、斷面微結(jié)構(gòu)觀察以及斷裂韌性和分形維數(shù)計(jì)算，研究了密質(zhì)骨的斷裂韌性及微結(jié)構(gòu)特征與斷面分形維數(shù)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四個(gè)不同方向試樣的斷裂能和斷裂韌性存在明顯差異，這說(shuō)明密質(zhì)骨的斷裂行為與其取向有關(guān)。在彎曲斷裂過(guò)程中，0o試樣的斷裂路徑發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)和折拐，而90o試樣的斷裂路徑近似沿骨的縱向擴(kuò)展，幾乎沒有發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)和折拐。采用計(jì)盒維數(shù)法計(jì)算了四個(gè)不

4、同方向試樣斷面的分形維數(shù)，結(jié)果表明骨的分形維數(shù)與其斷裂韌性呈正相關(guān)的關(guān)系。密質(zhì)骨的彎曲各向異性力學(xué)性質(zhì)也與其骨單元方向密切相關(guān)。
　　③根據(jù)三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂試樣的斷裂路徑發(fā)生明顯的裂紋偏轉(zhuǎn)和折拐。建立了三種含有微裂紋的密質(zhì)骨細(xì)觀分析模型：?jiǎn)蝹€(gè)骨單元-骨間質(zhì)密質(zhì)骨模型、多個(gè)骨單元-骨間質(zhì)密質(zhì)骨模型及多個(gè)骨單元-黏合線-骨間質(zhì)密質(zhì)骨模型，基于線彈性斷裂力學(xué)和有限元分析法，在細(xì)觀尺度上對(duì)比分析了骨單元和黏合線對(duì)骨間質(zhì)中裂紋擴(kuò)展能

5、力和擴(kuò)展路徑的影響。研究結(jié)果表明，骨單元與骨間質(zhì)的模量比大于1時(shí)，骨單元阻礙微裂紋的擴(kuò)展；模量比小于1時(shí)，骨單元促進(jìn)微裂紋的擴(kuò)展。多個(gè)骨單元模型中骨單元對(duì)加速或阻礙微裂紋擴(kuò)展有更明顯的影響。黏合線阻礙微裂紋擴(kuò)展，并使微裂紋的擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)和折拐。
　?、苊苜|(zhì)骨斷面的掃描電鏡觀察結(jié)果表明，骨單元中非均勻分布著橢圓形腔隙，且其長(zhǎng)軸沿骨單元的環(huán)向（環(huán)向橢圓形腔隙）。根據(jù)觀察結(jié)果，建立了三種骨單元細(xì)觀分析模型：環(huán)向橢圓形腔隙骨單元模型、

6、徑向橢圓形腔隙骨單元模型和圓形腔隙骨單元模型，通過(guò)對(duì)比這三種模型在沖擊及擠壓載荷作用下的應(yīng)力分布及損傷演化情況，分析了腔隙方向和形狀對(duì)骨單元體抵抗沖擊與微損傷能力的影響。結(jié)果表明，骨單元的環(huán)向橢圓形腔隙能有效改善骨單元的沖擊應(yīng)力集中，增強(qiáng)骨單元的抗沖擊能力。損傷分析結(jié)果也表明骨單元的環(huán)向橢圓形腔隙使微裂紋沿著骨單元的環(huán)向擴(kuò)展，從而避免其沿骨單元的徑向擴(kuò)展進(jìn)入哈弗氏管造成骨單元破壞。
　?、莨菃卧鲗迎h(huán)形骨板中的礦化膠原纖維螺旋環(huán)繞

7、哈弗氏管，并且相鄰骨板層中的纖維夾角約呈30°遞增。建立4種纖維螺旋夾角分別為15°、30°、45°和90°的仿骨單元復(fù)合材料模型，并采用漸進(jìn)損傷法和Hashin失效準(zhǔn)則，對(duì)這4種仿骨單元復(fù)合材料模型進(jìn)行低速?zèng)_擊損傷分析。分析結(jié)果表明，纖維螺旋夾角為30°的骨單元復(fù)合材料模型，其抗沖擊損傷的能力最大。說(shuō)明了骨單元中礦化膠原纖維螺旋夾角為30°的周期性螺旋鋪層結(jié)構(gòu)能有效提高密質(zhì)骨抵抗外界沖擊的能力，研究結(jié)果可為高性能仿生復(fù)合材料的研制提供

8、有益指導(dǎo)。
　?、薷鶕?jù)密質(zhì)骨礦化膠原纖維中羥基磷灰石晶體的排列結(jié)構(gòu)，建立羥基磷灰石晶體在膠原蛋白基體中交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)細(xì)觀分析模型，研究了羥基磷灰石晶體在膠原蛋白基體中交錯(cuò)排列微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、體積分?jǐn)?shù)對(duì)密質(zhì)骨彈性模量和斷裂韌性的影響。結(jié)果表明，密質(zhì)骨的彈性模量隨羥基磷灰石晶體含量的增加呈非線性增加。根據(jù)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展路徑及斷裂橋聯(lián)現(xiàn)象，分析了羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)及其含量對(duì)密質(zhì)骨斷裂韌性的影響。研究結(jié)果表明隨著晶體片長(zhǎng)寬比及其含