生物复合材料的断裂行为研究.pdf

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1、生物复合材料的断裂行为研究刘奎2015年6月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540生物复合材料的断裂行为研究作者姓名刘奎学院名称宇航学院指导教师季葆华教授副指导教师李德昌答辩委员会主席董春迎教授申请学位工程硕士学科专业航天工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月FractureanalysisofbiologicalcompositematerialsCandidateName：KuiLiuSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.BaohuaJiViceFacult

2、yMentor:DechangLiChair,ThesisCommittee：Prof.ChunyingDongDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：AerospaceEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jun，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的

3、学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要贝壳、牙齿、骨骼等生物材料都是多级纳米复合材料，在纳米尺度上矿物质相交错镶嵌在柔软的蛋白质基质中。这种交错层叠的排布使得材料具备了良好的力学性能。深入研究生物材料的力学性能与其多尺度（多级）微纳米结构之间的关系，对于人工合成性能优异的仿生材料具有重要意义。本文依据生物材料的微观多级结构特性，模拟研究具有多级结构的生物复合材料的动态破坏行为和断裂机制，为人工合成高性能的仿生材料提供理论支持。本文第一部分运用分子动力学

4、方法模拟研究了蛋白质相体积分数远大于矿物质相，且含有中心裂纹的一级结构的力学行为。通过研究发现，裂尖应力强度因子随着增强纤维长度的增大而减小，最终趋于一个稳定值；临界扩展力随着增强纤维长度的增大而增大。该结果均表明增大增强纤维的长度能够有效削弱裂尖的应力集中现象。当增强纤维的强度远大于基质时，裂纹扩展绕过增强纤维，呈现增强纤维被“拔出”的现象；当增强纤维的强度较小时，长度较小的增强纤维被“拔出”，而长度较大的增强纤维发生断裂。第二部分运用分子动力学方法模拟研究了蛋白质体积分数远小于矿物质相，且边界含预制裂纹的“类骨”多级结构的力学行为。研究发现，对于仅含一级结构的模型，矿物质长

5、细比较小时，裂纹主要沿着蛋白质相扩展，矿物质相被“拔出”，扩展过程中呈现出明显的“桥连”现象，而“桥连”则正是生物材料的一种重要的增韧机制；随着矿物质长细比增大，裂纹直接穿过矿物质相扩展。对于含有二级结构的模型，矿物质长细比较小时，裂纹主要沿着蛋白质相扩展；随着矿物质长细比增大，裂纹扩展路径逐渐变得曲折，该过程既有蛋白质相的破坏，也有矿物质相的破坏；当长细比足够大时，有二级结构被“拔出”的现象出现，同时伴随着矿物质相的断裂。在研究中我们还找到了一组最优的结构，使得材料既能获得良好的韧性，也能具备足够的强度，这为人工合成材料提供了依据。关键词：生物复合材料；多级结构；断裂；分子动

6、力学I北京理工大学硕士学位论文AbstractItiswellknownthatmostofbiologicalmaterialssuchasshells,teeth,skeletonsarehierarchicalnanocomposites,fromnanotomacroscale.Atthenanoscale,themineralcrystalsarearrangedinastaggeredmannerinproteinmatrixthatthematerialhasexcellentmechanicalproperties.Therelationshipbetweenb

7、iologicalmaterials’mechanicalpropertiesanditsmulti-scalemicro-nanostructureishighlydesirableindesigningbio-mimeticmaterialswithexcellentproperties.Thisthesisstudiedthefracturemechanisminsuchbiologicalmaterialswithnanoscalehierarchicalstructures.Int