生物多級結構材料的跨尺度力學表征

《生物多級結構材料的跨尺度力學表征》是依託中國科學院力學研究所，由馬寒松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：生物多級結構材料的跨尺度力學表征
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬寒松
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

貝殼、骨骼、牙齒等生物材料都是由礦物質和有機質構成的納米複合材料。它們擁有多級微觀結構，從而得到遠超其組分材料的優異力學性能。本項目擬針對以交錯排列結構（“磚牆結構”）為主要微結構特點的生物材料，建立高階剪滯模型用以表征上述生物材料的跨尺度力學行為。在高階剪滯模型里，考慮礦物質板只承受拉伸應力，有機質基體只承受剪下應力但剪應力隨位置變化而變化以及具有應變梯度效應；與此同時，通過界面粘聚力模型引入板和基體間的界面效應，同時考慮礦物板由於晶格參數不同引起的彈性模量本徵尺度相關性，進而得到交錯結構的彈性模量。通過自相似原理，把上述跨尺度力學理論套用於多級結構中，獲得同時計及礦物板的納米尺度特性、有機質基體的微結構特徵以及界面效應的生物材料的跨尺度力學行為。通過對貝殼類生物多級結構材料跨尺度力學性能的有限元模擬和原位載入實驗觀測對模型進行驗證。為仿生材料以及其它先進材料的力學性能設計提供理論支撐。

結題摘要

貝殼、骨骼等生物材料具有優異的力學性能，研究表明這與其多級多尺度的微觀結構特徵密切相關。因而對其力學性能的表征需要引入其微觀結構特徵。本課題即針對由軟（有機質）硬（礦物質板）材料交錯排列形成的“磚牆結構”，從連續介質力學的角度對其性能進行表征，通過採用結合了應變梯度效應、界面效應影響的跨尺度力學理論對其力學行為進行表征，預測其巨觀力學行為，揭示生物材料微觀結構與巨觀性能間的關聯關係，為新型先進材料設計提供理論支撐。課題首先採用應變梯度理論描述有機質基體，建立了考慮有機質基體應變梯度效應的高階剪滯模型，獲得了交錯排列結構巨觀等效模量的解析表達式。結果表明，有機質厚度越薄，其應變梯度效應越強，材料越難以變形，這與實驗測量相符；並且所獲得的磚牆結構等效模量與實驗結果符合良好。說明採用應變梯度理論描述有機質基體是非常必要且合理的。另外，交錯排列結構的剛度和強度會隨著軟材料厚度的減小而逐漸增大。當其厚度達到納米量級時，結構的彈性模量可以接近複合材料彈性模量的上限（Voigt並聯模型解）；當厚度在亞微米量級時，結構的彈性模量則大大降低。該模型只簡單的引入了應變梯度即涵蓋了納米到巨觀的幾個尺度，表明高階連續介質理論在先進材料性能表征方面是非常有效的。 針對單個礦物質板，課題建立了應變梯度細觀力學模型，預測了其巨觀彈塑性性能的尺度效應現象，所得結果與實驗結果符合良好。通過CMSG有限元方法研究了軟硬材料間界面性能，指出界面性能與有機質厚度有直接關聯：有機質越薄，界面越強，貝殼珍珠層的韌性越好。針對軟硬材料尺寸都非常小的情況，課題還建立了同時考慮礦物質板、有機質基體尺度效應的應變梯度剪滯尺度模型。另外，在高階理論的發展方面，將目前幾種不同的應變梯度理論進行了關聯統一，給出其Eshelby張量和Green函式的統一表達式，為應變梯度理論的發展和在複合材料細觀力學方面的套用提供了理論基礎。課題共發表學術論文10篇，其中SCI論文5篇，培養研究生2名。