螺旋纖維復合材料韌性機制的初步研究.pdf

1、木材、骨頭、肌腱、韌帶和攀附植物卷須等生物材料在分子尺度、微觀甚至宏觀尺度上具有手性微結構或多級手性結構。這些天然手性生物材料中含有的螺旋或扭轉微結構不僅能夠“智能”地調控生物組織的形貌，而且為生物材料提供了優(yōu)良的物理和力學性能。材料韌性是重要的力學性能之一。木材和骨頭等生物材料的韌性來源于多級微結構的協(xié)同效應，其中由膠原纖維或纖維素纖維等形成的螺旋微結構在微觀尺度上對韌性有很大的貢獻。但是目前手性微結構如何提高材料的韌性還不清楚。研究

2、手性微結構生物材料的結構-性能關系不僅有助于加深對自然界各種現(xiàn)象的理解，還啟發(fā)我們設計和構造基于手性微結構的先進功能材料。
　　本文基于木材裂紋擴展過程中的纖維橋聯(lián)機制，利用有限元軟件 ABAQUS建立了螺旋纖維拔出的力學模型。通過模擬結果，研究了螺旋角度對螺旋纖維拔出過程中拉拔載荷和能量損耗的影響，分析了螺旋微結構對于生物材料失效過程的作用。同時分析了圓柱扭轉纖維和扭轉帶纖維拔出的過程，考察了纖維與基體不同彈性模量比的影響以及拉

3、拔過程中拉拔速度對于纖維基體“stick-slip”行為的影響。最后模擬了簡單的螺旋纖維復合材料系統(tǒng)I型裂紋的擴展過程，研究了螺旋纖維在裂紋擴展過程中起到的增韌作用。
　　其次，針對肌腱、韌帶、攀附植物卷須等生物材料，建立了螺旋纖維復合材料系統(tǒng)在大變形下的軸向拉伸以及單纖維碎斷的有限元模型。通過比較螺旋纖維斷裂密度隨拉伸應變的變化和斷裂過程中能量損耗變化，分析了螺旋纖維斷裂過程。并進一步分析界面強度、纖維強度等對于大變形下生物材料