牙齿多级微结构强韧机理研究.docx

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1、牙齿多级微结构强韧机理研究自然界中的天然生物材料具有其独特的结构和功能,是许多人造材料所无法比拟的。天然生物材料通过普通的基本组成单元,组成了各式各样的内部结构,这些内部的结构使得天然生物材料在能够很好地适应自然环境的同时,具备了良好的力学性能。人的牙齿经过漫长的进化过程,具有了优异的力学性能,其结构无论是从宏观还是微观的角度都已经得到了非常高的优化。人牙的基本组成成分为羟基磷灰石、蛋白质、水等基本的物质,经过这些物质的组装,在牙齿的内部形成了形态优良的微结构,这些微结构对于牙齿强度,断裂韧性等力学性质的提高有着必然关系。因此对于牙齿

2、内部微结构的研究,并将研究成果运用到材料研究与开发上,进行材料成分和结构的仿生、制备方法的仿生和功能的仿生都是十分必要的。它们为工程材料的设计制备、获得性能更为优异的人工合成材料提供有益的指导。本文以天然生物复合材料人的牙齿为研究对象,采用力学试验,扫描电镜观察,数值模拟等方法对牙齿力学性能进行了研究。测试了牙齿的断裂强度、极限应变、弹性模量、平均断裂功等力学性能;通过有限元模型、数值模拟研究了牙齿微结构与其力学行为的关系,揭示了牙齿微结构对力学行为的影响。本文的主要工作及结论如下:(1)对牙齿进行了轴向拉伸实验以及三点弯曲实验,得到

3、了牙齿在横向和纵向两个方向的应力-应变曲线,从而计算了牙齿在横向、纵向的强度极限、极限应变、平均断裂功以及该两个方向上的弹性模量。得到了以下的结论:轴向拉伸实验表明,牙齿的纵向的强度极限和极限应变要大于横向的强度极限和极限应变,牙齿在纵向抵抗断裂的能力和延展性要好于横向,纵向的弹性模量大于横向的弹性模量;三点弯曲实验表明,牙齿纵向的断裂强度和极限应变要大于横向的断裂强度和极限应变,纵向的平均断裂功也大于横向的平均断裂功,因此牙齿在横、纵两个方向上的力学性能存在一定的差异,具有各向异性的特点。(2)基于扫描电镜下观察到的牙齿内部的孔洞结

4、构,对比管周牙本质是否存在的情况,建立了两种情况下的模型:第一种是只含有一个牙小管孔洞的模型,第二种是不含孔洞以及包含多个孔洞的模型,在包含孔洞的情况下,对比管周牙本质存在与否的情况,应用线弹性断裂力学理论以及扩展有限元方法,分别模拟了两种不同情况下各个模型的裂纹扩展的情况,得到了以下的结论:仅含有管间牙本质的单孔单相模型以及含管周牙本质以及管间牙本质的单孔两相模型在裂纹的起始阶段应力应变分布有着明显的差别。两者起始阶段的最大应力应变虽均出现在了裂纹的下端部,但单孔单相模型在裂纹起始阶段的最大应力以及应变均明显高于单孔两相模型,并且裂

5、纹在单孔两相模型中的扩展比单孔单相模型中更为曲折,在两相的交界处发生了十分明显的折拐,单孔两相模型抵抗断裂的能力强于单孔单相模型;裂纹在多孔单相模型以及多孔两相模型中的扩展情况与单孔模型中具有一定的相似性,但在多孔两相模型中的裂纹会发生更多的折拐情况,这会消耗掉更多的断裂能,裂纹扩展更加困难。(3)基于扫描电镜下观察到的牙齿牙小管周边的椭圆微管结构,建立了三种模型,第一种是椭圆长轴垂直于牙小管圆周径向的微管模型,第二种是圆形微管模型,第三种是椭圆长轴平行于牙小管圆周径向的微管模型,通过渐进损伤的方法,以ABAQUS6.13为计算平台,

6、利用FORTRAN语言编制的USDFLD用户子程序,嵌入ABAQUS中,进行结构模型的渐进损伤模拟,得到了以下的结论:基于实际情况下所建立的椭圆长轴垂直于径向的微管模型在承受压力载荷的情况下,相较于其他两种模型所产生的应力值更小,更不易于引起结构的破坏。椭圆长轴垂直于圆周径向的微管模型的破坏单元主要沿圆周方向破坏,且裂纹不易于贯穿整体结构,另外两种模型的破坏单元主要沿着圆的径向,裂纹容易贯穿到牙小管内部,引起整个牙齿结构的破坏。