循环载荷作用下生物矿化复合材料的疲劳与损伤行为研究

Biological mineral material is a kind of natural biomineralized composites in organisms, which is always in a daily cyclic loading environment in nature. It is necessary to study fatigue and damage behaviors of biomineralized composite materials with excellent mechanical properties, biological functions and environmental adaptability. Therefore, this program will focus on fatigue and damage behaviors of typical biological mineral materials, such as mollusc shells, sponge spicules and animal horns. Experimental research will be carried out to obtain fatigue and damage response with the effects of loading amplitude, frequency, duration and environmental physical factors, and even hierarchical structures based on fatigue test systems. Theoretical modeling and numerical simulation approach will also be developed to discuss the roles of hierarchical structures and multi-scales on the deformation, damage and fracture of natural biological mineral materials under cyclic loading conditions. In addition, application of biological mineral materials, the biomimetic reference for advanced materials and structures, and fatigue properties of other typical natural biological materials this program will be further discussed.

在生物体的生存期中，生物体内的生物矿化复合材料承受着日常循环载荷作用。探究生物矿化复合材料优异的力学性能、生物学功能与环境适应性，必然要研究其疲劳与损伤力学行为。基于此，本项目拟就软体动物的壳类、海绵类的骨针以及动物的角类等典型生物矿化复合材料为研究对象，系统地实验表征循环载荷作用下的疲劳性能，探究其疲劳损伤的定量化表征方法以及环境场耦合与载荷特性等对疲劳性能的影响。通过理论分析与数值模拟，建立生物矿化复合材料在循环载荷作用下的疲劳损伤力学理论模型，并据此分析计及疲劳损伤的生物矿化复合材料的本构关系与力学特性；发展生物矿化复合材料疲劳损伤的跨尺度数值计算模型，探究计及不同尺度分级结构影响的力学与物理机制，为疲劳载荷环境下先进材料的仿生设计提供理论参考。此外，还将进一步探讨生物矿化复合材料的应用以及其它生物材料的疲劳损伤行为等问题。

生物体在自然环境中，其体内的生物矿化复合材料承受着日常循环载荷作用。探究生物矿化复合材料优异的力学性能、生物学功能与环境适应性，必然要研究其疲劳与损伤等力学行为。基于此，本项目以皱纹盘鲍贝壳（Haliotis discus）珍珠母与双壳纲紫石房蛤（Saxidomus purpuratus）珍珠母等典型生物矿化复合材料为研究对象，系统地实验表征循环载荷作用下的疲劳性能。建立了基于界面退化机理的贝壳珍珠母的疲劳损伤力学理论模型，并据此分析计及考虑疲劳损伤的本构关系；发展了生物矿化复合材料疲劳损伤的考虑界面退化的数值计算模型，探究计及结构参数影响的力学与物理机制，为疲劳载荷环境下先进材料的仿生设计提供理论参考。此外，进一步研究了其它生物材料的力学行为、化学结构与生物医学应用等。