鹿角多级结构及其力学性能研究.docx

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1、鹿角多级结构及其力学性能研究鹿角是长在鹿头部的骨性材料,是鹿攻击和防卫的武器。作为一种天然生物复合材料,经过亿万年的进化以及演变,鹿角具有优异的力学性质,如高强度、刚度、韧性以及抗冲击的能力,而这些性质又密切相关于其独特的微观结构。对鹿角优良力学性质与其多级微观结构关系的研究与探索,对发展具有优良力学性质、特别是优良抗冲击力学性质的人工合成材料具有重要意义。本文以梅花鹿鹿角为研究对象,进行了观察实验以及宏观力学实验,建立了鹿角微结构的理论分析模型,并结合数值模拟的方法,研究了鹿角优良力学性质与其多级微观结构关系。本文主

2、要完成了以下工作并得到一系列相关结论:(1)通过四点弯曲实验,得到了鹿角横向、纵向、径向试样的应力-应变曲线,计算了鹿角密质骨部分的弹性模量、弯曲强度、断裂功等力学参数。使用扫描电镜(SEM)分别观察鹿角试样沿横向、纵向、径向断裂的裂纹扩展路径以及断裂后的断裂面特征。四点弯曲实验结果表明,鹿角横向试样的弹性模量及弯曲强度最大,纵向试样次之,径向试样最小;同时,鹿角横向试样的断裂功最大,径向试样次之,纵向试样最小。鹿角所表现出来的力学性质与其独特的微观结构密切相关。鹿角独特的微观结构是造成鹿角各向异性力学性质的主要因素,

3、其中,骨单元的独特结构及其对裂纹偏转的影响,是这一结果的主要成因。(2)基于三个不同方向试样裂纹扩展的扫描电镜照片,分析了鹿角裂纹扩展路径的特点。结合鹿角密质骨中骨单元的排布及其独特的微观结构,分别建立了鹿角密质骨三个不同方向试样的裂纹偏转模型,即横向断裂分形模型,纵向桥联分形模型以及径向偏转分形模型。通过模型分析分别得到了鹿角密质骨沿横向、纵向及径向断裂时的裂纹扩展力,分析了三个方向的增韧机理。对力学实验后的试样断裂面进行喷金处理后,使用扫面电镜观察其断裂面。根据改进的盒子法,用Matlab程序处理断面照片,分别得到

4、横向、纵向及径向断面的分形维数。结果显示,横向断裂试样的分形维数最大,径向次之,纵向最小;分析结果与实验结果对比可知,分形维数和断裂功呈正相关关系,断面越粗糙,断面的分形维数越大,其断裂功越大,即断裂时消耗的能量越多。分形理论能反映鹿角各向异性力学特性。(3)基于鹿角微观结构的特点,建立了三种不同的鹿角密质骨骨单元-腔隙模型:椭圆形腔隙环向模型,椭圆形腔隙径向模型,以及圆形腔隙模型,对上述模型进行渐进损伤分析;层内的断裂判据为Giner判据,层间的断裂判据为BrewerandLagace判据。计算得到了三种模型的应力分

5、布情况及损伤失效情况。结果表明,在腔隙环向结构模型中,微裂纹主要产生在腔隙的两端。随着外部载荷的增加,微裂纹沿着环向扩展。三种模型的比较分析表明,基于鹿角密质骨骨单元腔隙结构建立的腔隙环向结构模型的应力和损伤较其他两种模型的应力及损伤更小,因此更不易于引起结构的破坏;且损伤多为层内损伤,较少出现层间损伤,这对于骨单元结构的强度的保证具有重要作用。在椭圆形腔隙径向模型中,损伤主要为层间损伤,这容易引起裂纹的贯穿,从而造成整个结构的损坏;而在圆形腔隙模型中,损伤产生位置和损伤扩展方式存在随机性,损伤效果介于前两种模型之间。

6、(4)鹿角密质骨中,骨单元的胶原纤维是一种周期性螺旋铺层结构,其螺旋夹角呈30o递增。为了研究纤维螺旋夹角对骨单元多层复合材料抗压缩特性的影响,采用Tsai-Wu张量失效判据作为复合材料层合板的强度失效判据,建立了纤维螺旋夹角为30o的仿生复合材料模型,使用渐进损伤的方法对模型的压缩特性和层内损伤情况进行了研究。分析结果表明,纤维螺旋夹角为30°的密质骨复合材料抵抗压缩损伤的能力最大。即鹿角密质骨中胶原纤维螺旋夹角为30°的周期性螺旋铺层结构能有效提高其抗压的能力,研究结果可为新型复合材料的设计与开发提供新的启示。