多級孔生物陶瓷的多尺度力學(xué)行為研究.pdf

1、多級多級孔生物陶瓷的多尺度孔生物陶瓷的多尺度力學(xué)行為力學(xué)行為研究研究Researchofmultiscalemechanicsbehaviinhierarchicalpousbioceramics學(xué)科專業(yè)：固體力學(xué)研究生：戰(zhàn)楠指導(dǎo)教師：陳金龍教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院學(xué)院二零一零年六月摘要作為良好的骨替代材料多級孔羥基磷灰石生物陶瓷，在使用過程中承受復(fù)雜載荷，研究生物陶瓷支架材料的力學(xué)性能對提高其使用安全性，擴(kuò)大其使用范圍至關(guān)重要。在細(xì)觀

2、層次上，多孔生物陶瓷在不同尺度上呈現(xiàn)為不同量級的多級多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)從生物學(xué)角度可以起到很好的功能放大作用，但其多級孔結(jié)構(gòu)在不同尺度上對材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響。并且在制備過程中，由于工藝等原因易產(chǎn)生裂紋，裂紋與孔的相互作用也極大影響了材料的承載能力。因此，研究多級孔生物陶瓷有效模量及斷裂問題具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文主要完成以下研究工作：1.在細(xì)觀層次上，基于均勻化理論將二尺度漸近展開法與有限元法結(jié)合，詳細(xì)討論周期性邊界條件，宏觀應(yīng)變的

3、施加方法。通過計(jì)算纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的有效性能對本文的實(shí)施方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明結(jié)果有效性。2.對多孔生物陶瓷的多級孔細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，建立不同孔隙率及排布形式的細(xì)觀孔道代表體積單元，計(jì)算材料有效模量，總結(jié)相關(guān)規(guī)律，根據(jù)力學(xué)性能要求、孔隙率要求，評價(jià)和指導(dǎo)多孔生物陶瓷的多級孔細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.以斷裂力學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，根據(jù)擴(kuò)展有限元基本原理，選取最大主應(yīng)力和能量釋放率作為裂紋起裂和擴(kuò)展的準(zhǔn)則，以ABAQUS有限元軟件為平臺，對不同孔隙率含裂紋

4、多孔生物陶瓷進(jìn)行研究，預(yù)測不同孔隙率下裂紋擴(kuò)展路徑，臨界載荷等。考慮多孔生物陶瓷植入人體后與體液、骨細(xì)胞相互作用情況，研究孔內(nèi)壓對裂紋擴(kuò)展路徑的影響。最后對增韌的多孔生物陶瓷進(jìn)行研究，結(jié)果表明斷裂韌性的增加對材料承載能力有顯著提高，對材料的增韌可以擴(kuò)大生物陶瓷的使用范圍。本文在兩個尺度上分別對多級孔生物陶瓷力學(xué)行為進(jìn)行研究，并建立了兩個尺度之間的聯(lián)系。通過本文的研究方法，可以更真實(shí)的模擬多級孔生物陶瓷不同尺度上的力學(xué)行為，進(jìn)而更好的對多