《牙釉質的微觀結構與力學性質的關係及仿生材料設計》是依託上海大學，由安兵兵擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：牙釉質的微觀結構與力學性質的關係及仿生材料設計
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：安兵兵
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
牙釉質是牙齒最外層組織，具有複雜的分層結構，微觀結構決定了其具有優良的力學性質。本項目擬研究牙釉質分層結構與力學性質的關係，發現各種設計參數對材料力學行為的影響，並探索基於特殊分層結構的仿生材料設計方法。首先，開展牙釉質的微柱壓縮實驗，確定不同尺度結構的力學性質。發展蛋白質和羥基磷灰石晶體的本構模型，建立牙釉質非自相似分層結構的力學模型。然後分析牙釉質在靜態和動態載荷作用下的剛度、強度、彈性應變能、塑性能量耗散和基底相的剪應力分布，揭示牙釉質的變形機理以及其特殊的分層結構的優勢。其次，開展牙釉質斷裂力學性質研究，通過微懸臂樑彎曲實驗研究破壞機理。建立描述非自相似分層結構材料的斷裂力學模型，計算裂紋在牙釉質中擴展的路徑和裂紋擴展阻力曲線，揭示其斷裂機理。最後，基於非自相似分層結構材料的力學性質，提出能同時具有高剛度、高強度和高韌度的工程材料的設計原理。
結題摘要
牙釉質是具有複雜的多尺度分層結構的生物複合材料，表現出優良的力學性質。基於牙釉質的仿生材料設計方法為多功能工程材料的開發提供了指導。本項目通過實驗與數值模擬相結合的方法研究了牙釉質的分層結構與力學性質的關係。我們設計了單根釉柱的微柱壓縮實驗，測量了釉柱的單軸應力-應變曲線，發現了其獨特的應變強化後屈服行為。通過考慮礦物質晶體的非一致排列方式，建立了釉柱的多尺度力學模型，基於此模型的數值模擬揭示了礦物質晶體間的摩擦與互鎖是導致釉柱呈現出應變強化後屈服行為的主要變形機理。進一步的關於釉柱在壓縮載荷作用下損傷行為的數值模擬發現礦物質晶體集合的分層破壞是主要的損傷機理，其導致了釉柱的應變局部化。這種局部損傷模式抑制了釉柱的災變性破壞的發生，保持了牙釉質的完整性，從而有利於其完成咀嚼食物的功能。另外，基於數值模擬我們建立了釉柱斷裂的破壞準則：釉柱的斷裂是由應變控制的，斷裂發生在應變最大的區域，這一準則為建立牙釉質的斷裂力學模型提供了幫助。通過考慮納米結構特徵，我們建立了牙釉質的納米複合材料力學模型，揭示了礦物質晶體與蛋白質間界面的破壞與蛋白質塑性變形相互競爭的變形機理，這一機理決定了牙釉質納米結構的韌度。我們進一步提出牙釉質是一種粘結-摩擦材料，並通過考慮蛋白質的應變強化行為、牙釉質內部微裂紋和由蛋白質剪下變形引起納米結構的體積膨脹建立了包括牙釉質在內的類骨生物材料統一塑性變形理論。通過此理論研究了牙釉質在動態載荷作用下的力學性質。根據牙釉質分層結構與力學性質的關係，我們提出了非自相似分層的概念，並將此概念套用於高韌度仿生材料的設計中，探索了多種形式的非自相似分層結構材料，分析了相應的增韌機理。本項目的研究成果為同時具有高韌度和高剛度仿生材料的設計提供了新思路。
