集成納米HAP晶體影響的牙釉質多級微結構跨尺度建模和有效模量預測方法.pdf

1、作為典型的多級生物復合材料，牙釉質位于牙齒最外層，是動物體中鈣化程度最高的堅硬礦物組織。它通常兼具高強度、強韌性、耐疲勞等優(yōu)異特性，主要原因在于其經自然選擇而形成的多級優(yōu)化微結構及特定比例的材料組成。深入探索牙釉質固有力學等性能與多級微/納結構組成、材料特性等的定量關系，不僅有助于揭示多級生物組織宏觀優(yōu)異特性的產生機理，更可指導新型高性能仿生材料合成和已有非均質材料及結構性能優(yōu)化。
　　本論文主要研究內容及結果概述如下:
　

2、　第一章，以天然生物材料為例，闡述了常見多級結構及其性能特點。結合已有文獻，綜述了牙釉質多級微結構建模方法、彈性模量預測等研究的國內外現(xiàn)狀，并進一步給出了本論文的研究內容及選題意義。
　　第二章，為了準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式，并基于已有試驗數(shù)據(jù)進一步擬合獲得了釉柱不同位置晶體角度模型?；谡n題組建立的自動建模方法，實現(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重構。<

3、br>　　第三章，簡要介紹了細觀力學均勻化方法和常見的牙釉質等效本構關系。通過開發(fā)的模擬方法計算了牙釉質代表性單元模型的有效模量矩陣，發(fā)現(xiàn):隨著間質層厚度減小，預測結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。在此基礎上，進一步討論了納米尺度晶體形狀及材料組成對牙釉質宏觀模量的影響。
　　第四章，結合牙釉質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)凝聚技術開發(fā)了牙釉質宏觀模量跨尺度預測方法，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，進一步分析了晶體大小、形狀及體積分數(shù)對牙釉質有效模量的影響。
　　本文主要結論包括:
　　(1)通過多項式函數(shù)分段逼近釉柱輪廓，建立了牙釉質復雜微結構重構方法;采用水平集法和單元自動分割策略，實現(xiàn)了牙釉質微-納尺度模型的自動建模，極大地簡化了復雜多級生物非均質材料建模過程。
　　(2)鑒于牙釉質宏觀模量與其獨特的微/納結構組織方式及材料組成等密切相關，本文采用靜態(tài)凝