集成納米HAP晶體影響的牙釉質(zhì)多級(jí)微結(jié)構(gòu)跨尺度建模和有效模量預(yù)測(cè)方法.pdf

1、作為典型的多級(jí)生物復(fù)合材料，牙釉質(zhì)位于牙齒最外層，是動(dòng)物體中鈣化程度最高的堅(jiān)硬礦物組織。它通常兼具高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性、耐疲勞等優(yōu)異特性，主要原因在于其經(jīng)自然選擇而形成的多級(jí)優(yōu)化微結(jié)構(gòu)及特定比例的材料組成。深入探索牙釉質(zhì)固有力學(xué)等性能與多級(jí)微/納結(jié)構(gòu)組成、材料特性等的定量關(guān)系，不僅有助于揭示多級(jí)生物組織宏觀優(yōu)異特性的產(chǎn)生機(jī)理，更可指導(dǎo)新型高性能仿生材料合成和已有非均質(zhì)材料及結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化。
　　本論文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果概述如下:
　

2、　第一章，以天然生物材料為例，闡述了常見多級(jí)結(jié)構(gòu)及其性能特點(diǎn)。結(jié)合已有文獻(xiàn)，綜述了牙釉質(zhì)多級(jí)微結(jié)構(gòu)建模方法、彈性模量預(yù)測(cè)等研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并進(jìn)一步給出了本論文的研究?jī)?nèi)容及選題意義。
　　第二章，為了準(zhǔn)確描述微米釉柱和納米HAP晶體的非規(guī)則輪廓，采用水平集函數(shù)法建立了二者的顯式表達(dá)式，并基于已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步擬合獲得了釉柱不同位置晶體角度模型?；谡n題組建立的自動(dòng)建模方法，實(shí)現(xiàn)了規(guī)則及非規(guī)則納米和微米尺度代表性單元模型自動(dòng)重構(gòu)。<

3、br>　　第三章，簡(jiǎn)要介紹了細(xì)觀力學(xué)均勻化方法和常見的牙釉質(zhì)等效本構(gòu)關(guān)系。通過開發(fā)的模擬方法計(jì)算了牙釉質(zhì)代表性單元模型的有效模量矩陣，發(fā)現(xiàn):隨著間質(zhì)層厚度減小，預(yù)測(cè)結(jié)果逐漸接近已有模擬數(shù)據(jù)，說明建立的模型和模擬方法是有效的。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了納米尺度晶體形狀及材料組成對(duì)牙釉質(zhì)宏觀模量的影響。
　　第四章，結(jié)合牙釉質(zhì)微米尺度代表性單元和第二章的HAP晶體傾斜函數(shù)，采用靜態(tài)凝聚技術(shù)開發(fā)了牙釉質(zhì)宏觀模量跨尺度預(yù)測(cè)方法，可直觀反映微

4、觀釉柱形狀和納米HAP晶體組織方式等因素的影響。同時(shí)，進(jìn)一步分析了晶體大小、形狀及體積分?jǐn)?shù)對(duì)牙釉質(zhì)有效模量的影響。
　　本文主要結(jié)論包括:
　　(1)通過多項(xiàng)式函數(shù)分段逼近釉柱輪廓，建立了牙釉質(zhì)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)重構(gòu)方法;采用水平集法和單元自動(dòng)分割策略，實(shí)現(xiàn)了牙釉質(zhì)微-納尺度模型的自動(dòng)建模，極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜多級(jí)生物非均質(zhì)材料建模過程。
　　(2)鑒于牙釉質(zhì)宏觀模量與其獨(dú)特的微/納結(jié)構(gòu)組織方式及材料組成等密切相關(guān)，本文采用靜態(tài)凝