牙釉質止裂機理的力學實驗技術研究

《牙釉質止裂機理的力學實驗技術研究》是依託上海大學，由張東升擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：牙釉質止裂機理的力學實驗技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張東升
• 依託單位：上海大學

中文摘要

牙釉質具有獨特顯微結構，極高的硬度和耐磨性，研究牙釉質獨特的阻止裂紋擴展能力對發展口腔修復技術和開發新型仿生材料具有重要意義，而發展適用於牙釉質等小尺度生物材料力學實驗的測試技術則是開展此項研究的基礎。本項目圍繞牙釉質斷裂力學實驗開展相關的測試技術研究，首先開發複雜環境下快捷、穩定的數字圖像相關算法，研製小尺度生物材料力學載入和三維變形測試平台。在此基礎上，提出嵌入式牙釉質緊湊拉伸試件的製作方法，建立裂紋長度與裂尖應力強度的關係，用穩態裂紋擴展法測試牙釉質微觀結構與其斷裂韌度的關係；研究牙釉質的自修復能力，通過新穎的實驗設計，測試牙釉質自修復速度與自修復牙釉質阻止裂紋擴展的能力；研究牙釉質微觀結構與裂紋擴展速率的關係，採用疲勞實驗，在水環境下測試牙釉質試件變形，運用數值模擬技術分析牙釉質微觀結構阻止裂紋擴展的機理。通過對牙釉質斷裂力學行為的研究，研製小尺度生物材料力學性能測試的科學設備。

結題摘要

牙釉質具有獨特的微觀結構和優良的力學行為，由於材料的尺寸限制，迫切需要研究新穎的微尺度力學實驗技術，以探索牙釉質微觀結構與巨觀力學行為。本基金項目圍繞這個主題，主要開展了這兩方面的研究工作。在實驗測試技術方面，基於數字圖像相關方法，開發了微觀光學應變測試系統，並用於薄壁金屬材料E-N疲勞性能的動態測試，同時開發了生物材料力學測試系統，採用雙相機，結合光學體視顯微鏡，運用立體視覺原理，研究快捷的相機標定算法；結合數字圖像相關位移場和應變場算法，實現物體三維變形的精確測量。分析了各類誤差對微觀三維DIC測量的影響，形成了高精度的變形測量體系，該測試系統已經在國內多所大學推廣使用。與此同時，開展了巨觀三維DIC測量技術的探索，提出了可以確定大旋轉量的的數字圖像相關算法，在實驗室內實現了對旋轉物體三維運動的動態測量，並對大視場圖像標定算法進行了探索。在牙釉質力學行為研究方面，利用納米硬度和維氏硬度測試技術，研究了牙釉質的梯度力學行為。通過模擬壓頭的壓入和卸載過程，獲得了牙釉質的塑性力學參數和損傷程度，說明了深層牙釉質的增韌機制；根據牙釉質的微觀結構，運用多尺度力學建模分析方法，首次發現了外層牙釉質在保證高剛度前提下具有高增韌的力學機理。牙釉質晶體具有多尺度結構，本研究發現了牙釉質微觀結構中納米釉柱排列方向與微米尺度的釉柱排列方向存在非一致性。數值模擬表明這種非一致性排列可以有效地在不影響材料剛度的前提下，增加牙釉質的韌度，這種非一致性排列是導致牙釉質材料具有高剛度、高韌度的重要原因之一。採用微柱壓縮方法，研究了單個牙釉質受軸向壓縮載荷的破壞機理，並結合數值計算方法，解釋了牙釉質釉柱內部納米晶體排列方向在受到外部載荷時，可以產生局部應力，通過局部破壞避免牙釉質釉柱的整體破壞機理。在此基礎上，我們開展了仿生材料的設計探索，發現這種非一致性排列對多種工程材料有同樣的效果，並且，進一步改進非一致性排列的角度，可以設計負泊松比材料，對設計高韌度人工材料具有重要意義。