生物多级结构材料的跨尺度力学表征

Biological materials such as nacre, bone, teeth are nanocomposites made of mineral and organic. They have superior mechanical properties compared to their constituents due to hierarchical microstructures. In order to provide theoretical support for the design of mechanical properties of biomimetic materials and other advanced materials, in this project, a high order shear-lag model will be developed to characterize the trans-scale mechanical behaviors of biological materials with staggered (Brick and Mortar) microstructures. In the proposed model, we will consider that the tensile stress is carried mainly by the mineral platelets; the shear stress is carried mainly by the organic matrix and is not uniform. Moreover, strain gradient effect is considered for the organic matrix. At the same time, the interface cohesive model will be introduced to the model to describe the interface effects between the mineral platelets and the organic matrix, and the intrinsic size effect of elastic modulus of mineral platelets, due to the different lattice spacing of calcium carbonate nanocrystalline compared with that found in the geological mineral, will be also taken into account. Finally, the elastic modulus of staggered structure can be obtained. By use of the characteristics of self-similar, the mentioned above trans-scale mechanics theory will be applied to hierarchical structures, the trans-scale mechanical behaviors of biological materials including the nanoscale characteristics of mineral platelets, the microstructure features of organic matrix and the interface effects between the mineral platelets and the organic matrix will be obtained. To validate the proposed model, the FEM simulations of trans-scale mechanical properties for hierarchical structured biomaterials and in-situ experiments for nacre will be performed.

贝壳、骨骼、牙齿等生物材料都是由矿物质和有机质构成的纳米复合材料。它们拥有多级微观结构，从而得到远超其组分材料的优异力学性能。本项目拟针对以交错排列结构（“砖墙结构”）为主要微结构特点的生物材料，建立高阶剪滞模型用以表征上述生物材料的跨尺度力学行为。在高阶剪滞模型里，考虑矿物质板只承受拉伸应力，有机质基体只承受剪切应力但剪应力随位置变化而变化以及具有应变梯度效应；与此同时，通过界面粘聚力模型引入板和基体间的界面效应，同时考虑矿物板由于晶格参数不同引起的弹性模量本征尺度相关性，进而得到交错结构的弹性模量。通过自相似原理，把上述跨尺度力学理论应用于多级结构中，获得同时计及矿物板的纳米尺度特性、有机质基体的微结构特征以及界面效应的生物材料的跨尺度力学行为。通过对贝壳类生物多级结构材料跨尺度力学性能的有限元模拟和原位加载实验观测对模型进行验证。为仿生材料以及其它先进材料的力学性能设计提供理论支撑。

贝壳、骨骼等生物材料具有优异的力学性能，研究表明这与其多级多尺度的微观结构特征密切相关。因而对其力学性能的表征需要引入其微观结构特征。本课题即针对由软（有机质）硬（矿物质板）材料交错排列形成的“砖墙结构”，从连续介质力学的角度对其性能进行表征，通过采用结合了应变梯度效应、界面效应影响的跨尺度力学理论对其力学行为进行表征，预测其宏观力学行为，揭示生物材料微观结构与宏观性能间的关联关系，为新型先进材料设计提供理论支撑。.课题首先采用应变梯度理论描述有机质基体，建立了考虑有机质基体应变梯度效应的高阶剪滞模型，获得了交错排列结构宏观等效模量的解析表达式。结果表明，有机质厚度越薄，其应变梯度效应越强，材料越难以变形，这与实验测量相符；并且所获得的砖墙结构等效模量与实验结果符合良好。说明采用应变梯度理论描述有机质基体是非常必要且合理的。另外，交错排列结构的刚度和强度会随着软材料厚度的减小而逐渐增大。当其厚度达到纳米量级时，结构的弹性模量可以接近复合材料弹性模量的上限（Voigt并联模型解）；当厚度在亚微米量级时，结构的弹性模量则大大降低。该模型只简单的引入了应变梯度即涵盖了纳米到宏观的几个尺度，表明高阶连续介质理论在先进材料性能表征方面是非常有效的。 .针对单个矿物质板，课题建立了应变梯度细观力学模型，预测了其宏观弹塑性性能的尺度效应现象，所得结果与实验结果符合良好。通过CMSG有限元方法研究了软硬材料间界面性能，指出界面性能与有机质厚度有直接关联：有机质越薄，界面越强，贝壳珍珠层的韧性越好。针对软硬材料尺寸都非常小的情况，课题还建立了同时考虑矿物质板、有机质基体尺度效应的应变梯度剪滞尺度模型。.另外，在高阶理论的发展方面，将目前几种不同的应变梯度理论进行了关联统一，给出其Eshelby张量和Green函数的统一表达式，为应变梯度理论的发展和在复合材料细观力学方面的应用提供了理论基础。.课题共发表学术论文10篇，其中SCI论文5篇，培养研究生2名。