密質骨多級微納米結構力學行為跨尺度綜合研究

《密質骨多級微納米結構力學行為跨尺度綜合研究》是依託重慶大學，由陳斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：密質骨多級微納米結構力學行為跨尺度綜合研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳斌
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

經過若干世紀的選擇進化，生物複合材料密質骨具有優良的綜合力學性能，同時具備高的強度、剛度及斷裂韌性。密質骨優良綜合力學性能密切相關於其內部高度最佳化的多級微納米結構。本項目發展和運用複合材料細觀力學及多尺度分析的理論、模型、計算方法和實驗技術，跨尺度綜合研究密質骨優良力學性能與其多級微納米結構的關係，揭示其非均勻多級微納米結構的多機制強韌機理。在此基礎上進行仿生複合材料研究。本項目對於發展複合材料細觀力學及多尺度分析理論、模型、計算方法及實驗技術，深層次揭示密質骨非均勻多級微納米結構的多機制強韌機理及開發高性能仿生複合材料具有重要意義。

結題摘要

經過若干世紀的選擇進化，生物複合材料密質骨具有優良的綜合力學性能，同時具備高的強度、剛度及斷裂韌性。密質骨優良綜合力學性能密切相關於其內部高度最佳化的多級微納米結構。本項目首先利用細觀儀器設備，對數種典型密質骨進行了多尺度地細觀觀察，發現其中存在不同尺度下的多種非均勻微納米結構。如在一級尺度下的微米骨單元哈弗森管及腔隙多孔結構，二級尺度下的微納米礦化膠原纖維構成的交叉、螺旋及繞孔結構，三級尺度下的不同形狀的納米礦化膠原纖維和其構成的平行結構以及它們在纖維層間的橋聯。也利用宏細觀儀器設備，對密質骨進行了多種宏細觀力學行為測試，結果顯示密質骨宏細觀力學行為密切相關於其多級微納米結構的比份、形狀、尺寸、方向、分布和位置關係。針對在密質骨中發現的在不同尺度下的代表性微納米結構,發展和套用複合材料細觀力學的分析理論及跨尺度分析方法，分析和探索了密質骨宏細觀力學行為與其多尺度非均勻微納米結構的關係。其中包括採用多尺度有限元方法及擴展有限元方法計算分析骨細觀力學行為和採用漸進失效分析方法分析骨腔隙結構與骨斷裂力學行為的關係。研究結果表明正是由於密質骨中存在的不同尺度下的多級優良及合理的微納米結構，使密質骨具有優良的綜合力學性質，揭示了密質骨非均勻多級微納米結構的多機制強韌化機理。在對密質骨多尺度微納米結構實驗及模型分析基礎上，針對發現的在不同尺度下的代表性密質骨微納米結構，進行了仿生複合材料設計和製備，成功製備數種有套用前景的仿生複合材料。比較實驗表明，仿生複合材料比常規複合材料有更優良的綜合力學性質。研究結果對發展複合材料微納米力學、多尺度分析理論、計算與實驗方法及發展高性能仿生複合材料具有重要意義。本項目也發展和套用分形理論及灰度共生矩陣特徵參數，分析了密質骨各向異性力學行為與其不同方向微納米結構的關係，結果表明密質骨與方向有關的微納米結構決定了密質骨各向異性的力學性質。