生物材料學(xué)邢欣航天與材料工程學(xué)院新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1主要章節(jié)Chapter

1：緒論Chapter2：結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)Chapter

3：結(jié)構(gòu)多糖及生物軟組織Chapter

4：生物復(fù)合纖維Chapter

5：生物礦化及生物礦化原理Chapter

6：生物相容性Chapter

7：仿生和組織工程材料2結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)構(gòu)多糖生物軟組織生物復(fù)合纖維生物礦物生物材料3Chapter3結(jié)構(gòu)多糖及生物軟組織

糖

蛋白質(zhì)與多糖的混合

粘液

柔性基質(zhì)3.5?？墓羌?/p>

雌性蝗蟲的節(jié)間膜

皮膚

應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)

泊松比

斷裂水產(chǎn)生的剛化4

多糖因其簡(jiǎn)單的化學(xué)合成和極其豐富的資源而在商業(yè)上極具價(jià)值。纖維素、殼多糖、角叉菜膠、瓊脂等可用于建筑、造紙、食物穩(wěn)定劑、紡織以及染織等。結(jié)構(gòu)多糖5

柔韌的生物復(fù)合材料可認(rèn)為是相對(duì)剛硬的纖維或粒子填充在柔軟的基質(zhì)中而形成。以?？墓羌転槔又莺０独夏旰？心z層的組成為：鹽5%膠原6.7%基質(zhì)2%水86%在較大的應(yīng)力下，膠原纖維取向變化，中膠層在應(yīng)力方向變硬；載荷消失后，中膠層又能彈性地恢復(fù)原形。生物軟組織6?？闹心z層：由不連續(xù)的膠原纖維和大量多糖組成的簡(jiǎn)單結(jié)締組織。789Chapter3結(jié)構(gòu)多糖及生物軟組織

糖

蛋白質(zhì)與多糖的混合

粘液

柔性基質(zhì)3.5海葵的骨架

雌性蝗蟲的節(jié)間膜

皮膚

應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)

泊松比

斷裂水產(chǎn)生的剛化10結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)構(gòu)多糖生物軟組織生物復(fù)合纖維生物礦物生物材料11主要章節(jié)Chapter

1：緒論Chapter2：結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)Chapter

3：結(jié)構(gòu)多糖及生物軟組織Chapter

4：生物復(fù)合纖維Chapter

5：生物礦化及生物礦化原理Chapter

6：生物相容性Chapter

7：仿生和組織工程材料12→

纖維會(huì)發(fā)生取向或位移Chapter4：生物復(fù)合纖維柔性組織材料=柔軟的基體+硬的纖維承受由內(nèi)壓產(chǎn)生的負(fù)荷（如軟骨細(xì)胞）承受沿長(zhǎng)度方向上的載荷（如腱）柔性組織材料不能承受彎曲和壓縮載荷軟纖維的作用：引入各向異性（例如?？闹心z層）13可承受彎曲和壓縮載荷的途徑：增加基體的剪切剛度——使基體硬化，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳遞選擇生物陶瓷材料，如鈣的碳酸鹽或磷酸鹽硬Chapter4：生物復(fù)合纖維14硬材料的作用：保護(hù)作用（軟體動(dòng)物的殼、頭蓋骨等）成形并起支撐作用（如硅藻，節(jié)肢動(dòng)物的外骨骼）各類武器（如牙齒、刺等）本章將探討：

如何設(shè)計(jì)滿足力學(xué)性能要求的纖維復(fù)合材料以及纖維組裝增強(qiáng)機(jī)理硬Chapter4：生物復(fù)合纖維154.0材料的基本力學(xué)性能

生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理

硬度與脆性

基體硬化4.4疊層復(fù)合——改善韌性

加入填充劑的生物復(fù)合纖維

胞狀材料4.7

“材料”與“結(jié)構(gòu)”的區(qū)別Chapter4：生物復(fù)合纖維16承載能力：在結(jié)構(gòu)承受載荷或機(jī)械傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)，為保證各構(gòu)件或機(jī)械零件能正常工作，構(gòu)件和零件必須符合如下要求：具有足夠的強(qiáng)度,具有足夠的剛度,構(gòu)件不會(huì)失去穩(wěn)定性.4.0材料的基本力學(xué)性能17強(qiáng)度(Strength)：構(gòu)件承受載荷作用而不發(fā)生塑性變形或斷裂的能力。（抵御破壞的能力）剛度(Stiffness)：構(gòu)件承受載荷作用而不發(fā)生過(guò)大彈性變形的能力。（抵抗變形的能力）穩(wěn)定性(Stability)：構(gòu)件承受載荷作用而不發(fā)生平衡與變形形式轉(zhuǎn)變的能力。（保持原有平衡形式的能力）4.0材料的基本力學(xué)性能18脆性：材料在破壞之前無(wú)明顯變形的性質(zhì)。韌性：材料抵抗沖擊的能力（KJ／m2）塑性：當(dāng)載荷超過(guò)限度時(shí)，則在載荷撤去后只能部分地復(fù)原而殘留一部分不能消失的變形。材料所具有的保持不可恢復(fù)的變形的性質(zhì)成為塑性。不能消失而殘留下來(lái)的那一部分變形稱為塑性變形。4.0材料的基本力學(xué)性能彈性：材料在載荷作用下將發(fā)生變形，當(dāng)載荷不超過(guò)一定限度時(shí)，絕大部分的材料在載荷撤去后均能恢復(fù)原狀。卸除荷載后能夠消失的變形稱為彈性變形。194.0材料的基本力學(xué)性能應(yīng)力和應(yīng)變（衡量材料力學(xué)性能時(shí)常使用應(yīng)力和應(yīng)變兩個(gè)物理概念。）應(yīng)力：作用在單位面積上的載荷，單位N/m2橫截面積壓力=應(yīng)力(s)應(yīng)力的基本類型：拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力204.0材料的基本力學(xué)性能應(yīng)力和應(yīng)變（衡量材料力學(xué)性能時(shí)常使用應(yīng)力和應(yīng)變兩個(gè)物理概念。）應(yīng)變：物體對(duì)應(yīng)于施加的載荷而產(chǎn)生的變形變形前的長(zhǎng)度=應(yīng)變(e)變形后的長(zhǎng)度—變形前的長(zhǎng)度21拉壓變形剪切變形4.0材料的基本力學(xué)性能變形類型224.0材料的基本力學(xué)性能變形類型扭轉(zhuǎn)變形彎曲變形23研究方法將構(gòu)件變形形式分為四種基本變形：4.0材料的基本力學(xué)性能變形類型軸向拉伸或壓縮(拉壓變形）剪切變形扭轉(zhuǎn)變形彎曲變形24軸向拉伸或壓縮：在一對(duì)作用線與直桿軸線重合且大小相等的外力作用下，直桿的主要變形是長(zhǎng)度的改變。

4.0材料的基本力學(xué)性能變形類型25剪切變形：在一對(duì)相距很近的大小相等、方向相反的橫向外力作用下，桿件的橫截面將沿外力方向發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，這種變形稱為剪切變形。4.0材料的基本力學(xué)性能變形類型26扭轉(zhuǎn)變形：在一對(duì)大小相等、方向相反、位于垂直桿軸線的兩平面內(nèi)的力偶作用下，桿的任意兩橫截面將發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種變形稱為扭轉(zhuǎn)變形。

4.0材料的基本力學(xué)性能變形類型27彎曲變形：在一對(duì)大小相等、方向相反、位于桿的縱向平面內(nèi)的力偶作用下，桿件將在縱向平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形。4.0材料的基本力學(xué)性能變形類型284.0材料的基本力學(xué)性能應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系在彈性范圍內(nèi)，有σ∝ε29oa段為木材的彈性階段，a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為木材的比例極限，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為木材的彈性極限。在bc段，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不呈直線，塑性變形主要發(fā)生在這一階段，c點(diǎn)為木材所能承受的最大應(yīng)力，稱為強(qiáng)度極限或強(qiáng)度。c304.0材料的基本力學(xué)性能

模量拉伸模量TensilemodulusOr楊氏模量Young’smodulus材料對(duì)于拉伸或壓縮變形的抵抗能力。

剛度(Stiffness)：構(gòu)件承受載荷作用而不發(fā)生過(guò)大彈性變形的能力。（抵抗變形的能力）模量是反映材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)之一。它反映材料的抗形變能力。模量越高，表示材料的剛度越高，柔度越低。31引入的比例常數(shù)ε

式中：E

——拉壓彈性模量，與材料有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)獲得，是材料的剛性指標(biāo)。σ=

Eε

(胡克定律)4.0材料的基本力學(xué)性能

胡克定律324.0材料的基本力學(xué)性能4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理

硬度與脆性

基體硬化4.4疊層復(fù)合——改善韌性

加入填充劑的生物復(fù)合纖維

胞狀材料4.7

“材料”與“結(jié)構(gòu)”的區(qū)別Chapter4：生物復(fù)合纖維334.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱

生物形態(tài)學(xué)知識(shí)；力學(xué)性能；

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料行為；層合板效應(yīng)；材料失效

4.1.2草葉4.1.3角3435蝗蟲后腿的表皮內(nèi)突36昆蟲表皮：典型的纖維復(fù)合材料（幾丁質(zhì)纖維+蛋白質(zhì)基體）374.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱昆蟲表皮：典型的纖維復(fù)合材料蝗蟲后腿的表皮內(nèi)突特點(diǎn)：幾丁質(zhì)微纖維平均方向與長(zhǎng)軸平行，偏差很小表皮內(nèi)突在較長(zhǎng)距離內(nèi)高度均勻?yàn)閺埦o而設(shè)計(jì)，適用于拉伸實(shí)驗(yàn)→利用有關(guān)纖維復(fù)合材料理論來(lái)分析是可行的38腱作為一種纖維復(fù)合材料的生物形態(tài)學(xué)知識(shí)：原纖維為幾丁質(zhì)，基體為蛋白質(zhì)4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱幾丁質(zhì)大量存在于昆蟲和甲殼動(dòng)物的甲殼中→幾丁質(zhì)又稱為甲殼質(zhì)→蝦、蟹等殼中甲殼質(zhì)為白色、無(wú)定型的半透明物質(zhì)39幾丁質(zhì)是很強(qiáng)的氫鍵結(jié)合，穩(wěn)定，在1M的NaOH中不溶解幾丁質(zhì)中含有較多的羥基基團(tuán)，排列周期與氨基酸相同，具有類似β-折疊結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)中含有β-折疊區(qū)域，與幾丁質(zhì)相互作用，并附著在幾丁質(zhì)上（蛋白質(zhì)塊體呈球狀，形成基體并分布于纖維之間）腱作為一種纖維復(fù)合材料的生物形態(tài)學(xué)知識(shí)：4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱40基體與幾丁質(zhì)纖維鍵合很好：拉伸斷裂幾乎沒(méi)有纖維從基體中拔出力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：拉伸時(shí)纖維-基體界面無(wú)滑移，造成應(yīng)力集中、脆性斷裂等腱作為一種纖維復(fù)合材料的生物形態(tài)學(xué)知識(shí)：4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱41縱向模量：11GPa；橫向模量：→此模量差異由幾丁質(zhì)原纖維的極限取向造成力學(xué)性能：4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱一些常用材料的楊氏模量材料鋼鐵銅鋁鉛玻璃橡膠E/GPa192-216113-15773-127約70約17約55約0.007842縱向拉伸：等應(yīng)變沿著原纖維方向拉伸腱剛度大橫向拉伸：等應(yīng)力沿著與纖維垂直方向拉伸腱剛度小縱向模量：11GPa；橫向模量：43其沿纖維方向的模量可表示為：Ec=EfVf(z)+Em(1-Vf)Ec為復(fù)合材料模量Ef為纖維模量Em為基體模量Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)z為各因素導(dǎo)致基體剪切的函數(shù)其中：（蝗蟲腱中，幾丁質(zhì)纖維的體積分?jǐn)?shù)為17%）4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為44模型計(jì)算所得數(shù)據(jù)：45幾丁質(zhì)剛度的估計(jì)值與纖維素剛度值吻合得較好蛋白質(zhì)基體剛度的估計(jì)值與其經(jīng)典值吻合幾丁質(zhì)纖維長(zhǎng)度的估計(jì)與利用凝膠技術(shù)從表皮中得到的數(shù)據(jù)非常接近4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為模型推導(dǎo)和計(jì)算可以證明蝗蟲腱與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為一致46模型分析：幾丁質(zhì)纖維不連續(xù)應(yīng)力不能通過(guò)纖維端部傳遞應(yīng)力必須通過(guò)沿纖維長(zhǎng)度方向上的剪力來(lái)傳遞4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為47數(shù)學(xué)分析和試驗(yàn)證明：應(yīng)力是在纖維的一定長(zhǎng)度上（傳輸長(zhǎng)度），從基體逐漸進(jìn)入纖維的。剪應(yīng)力在端部有最大值，而在中部最小拉應(yīng)力在端部有最小值，而在中部最大48只有無(wú)限長(zhǎng)的纖維才可以被拉緊而發(fā)生與整體復(fù)合材料相同的應(yīng)變，而短纖維只能發(fā)生較小的應(yīng)變→取決于基體在將應(yīng)力向纖維傳遞時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)變此剪應(yīng)變作為復(fù)合材料整體應(yīng)變的一部分可以被測(cè)出基體剪切應(yīng)變=總應(yīng)變—纖維應(yīng)變模型分析：4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為49總應(yīng)變的1/4是由于基體的剪切產(chǎn)生的幾丁質(zhì)中存在的氫鍵存在變形，則對(duì)蠕變和能量損失有貢獻(xiàn)4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為模型分析：50彈性粘彈性或塑性材料開始塑性變形時(shí)，外加應(yīng)力突然下降的現(xiàn)象稱為屈服點(diǎn)現(xiàn)象。應(yīng)力下降的點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。51發(fā)生纖維斷裂還是流變?nèi)Q于基體的剪切剛度及應(yīng)力向纖維傳遞的程度如果基體不能傳遞給纖維足夠的應(yīng)力，則：纖維不斷裂整體剛度不大纖維對(duì)整體剛度無(wú)貢獻(xiàn)4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為模型分析：52如果基體可以傳遞給纖維足夠的應(yīng)力，則：纖維對(duì)剛度有貢獻(xiàn)當(dāng)Vf<Vf0（最小體積分?jǐn)?shù)）時(shí)：→纖維全斷，基體承載，復(fù)合材料失效實(shí)測(cè)：Vf>17%→

承載應(yīng)力的是幾丁質(zhì)纖維（分析可知：Vf0約為10%）4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為模型分析：53象蝗蟲腱這種具有單一取向幾丁質(zhì)纖維的表皮是極少數(shù)的→大多數(shù)表皮（毛孔管等）幾丁質(zhì)具有多種取向，顯示出層合板效應(yīng)對(duì)于完全的層合板效應(yīng)復(fù)合材料模量下降到3/8優(yōu)點(diǎn)：材料成為平面各向同性

4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱層合板效應(yīng)5455在層合板中：斷裂面偏轉(zhuǎn)斷裂面復(fù)雜，面積比簡(jiǎn)單的截面積要大得多目前，表皮復(fù)合材料的研究多限于拉伸而事實(shí)上，更多的情況是表皮在彎曲或受壓時(shí)發(fā)生變形，受到剪切和壓縮一般為不完全的層合板效應(yīng)4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱層合板效應(yīng)56早期的研究認(rèn)為壓縮失效的方式有兩種：彎曲模式：纖維向內(nèi)彎曲→基體以剪切方式失效剪切模式：纖維向外彎曲→基體受到壓縮和拉伸失效類型依賴于：纖維的體積分?jǐn)?shù)纖維-基體模量之比4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱材料的失效57幾丁質(zhì)含量較低的表皮很軟(3%)→只能以剪切的方式失效而大多數(shù)的昆蟲表皮中幾丁質(zhì)含量都大于15%58臨界壓縮應(yīng)力的計(jì)算：如果纖維的剪切變形比基體小，則：σc=Gm/(1-Vf)其中：σc為復(fù)合材料的臨界壓縮應(yīng)力Gm為基體的剪切模量Vf為纖維的體積分?jǐn)?shù)對(duì)于蝗蟲腱：

σc=48MPa，而事實(shí)上不可能達(dá)到這么大的力——計(jì)算值偏高→說(shuō)明還受到其他因素的影響4.1生物復(fù)合纖維的實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱材料的失效594.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱

生物形態(tài)學(xué)知識(shí)；力學(xué)性能；

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料行為；層合板效應(yīng)；材料失效

4.1.2草葉4.1.3角604.1.2草葉為什么干草易粉碎，新鮮的草韌性大植物也可看成復(fù)合材料4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理鳳尾草葉61植物主要由存在于細(xì)胞壁的纖維素組成細(xì)胞依次排列成柱狀——由此形成纖維→可歸入纖維復(fù)合材料及胞狀材料理論其中：厚壁組織束作為纖維相4.1.2草葉4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理62撕裂草葉，引入切口切口：導(dǎo)致應(yīng)力集中——引發(fā)斷裂對(duì)切口敏感的材料會(huì)因微小裂紋而削弱整體的強(qiáng)度對(duì)于切口不敏感的材料，可承受一定的損傷而不被顯著削弱草葉的層片即屬于此類材料4.1.2草葉4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理63此性能很重要：食草動(dòng)物只能扯斷咬住的部分——有利于植物的生存有利于食草動(dòng)物的牙齒進(jìn)化由于草葉纖維之間細(xì)胞的剪切模量較低→即使若干纖維發(fā)生斷裂，傳遞到鄰近纖維的應(yīng)力集中也不足以引起其斷裂4.1.2草葉4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理64草葉含水量減少時(shí)：剛度增加，但斷裂功幾乎不變當(dāng)草葉含水量<17%時(shí)，纖維間細(xì)胞變得非常脆弱→趨向于以脆性斷裂→適合于干草粉碎4.1.2草葉4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理654.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱

生物形態(tài)學(xué)知識(shí)；力學(xué)性能；

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料行為；層合板效應(yīng)；材料失效

4.1.2草葉4.1.3角664.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理4.1.3角為什么牛戰(zhàn)斗之前將角插入水中674.1.3角角為纖維復(fù)合材料——可用復(fù)合材料理論對(duì)其進(jìn)行計(jì)算對(duì)于完全干燥的角，假設(shè)基體和纖維的剛度是相等的，可以計(jì)算出纖維相的剛度的估計(jì)值4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理Ec=EfVf(z)+Em(1-Vf)如果應(yīng)用Ker在研究蝗蟲腱的方式：68干燥的角中：纖維相剛度估計(jì)值接近角蛋白纖維的實(shí)驗(yàn)值隨著含水量的增加→基體剪切剛度下降→增加了應(yīng)力傳輸長(zhǎng)度纖維長(zhǎng)度為40nm時(shí)新鮮和濕潤(rùn)的角的剛度計(jì)算值與實(shí)際較吻合但：實(shí)測(cè)長(zhǎng)度為500~1000nm可用羊毛模型來(lái)解釋694.1.3角4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理70羊毛：角蛋白原生纖維每隔15nm便存在5nm的非晶區(qū)，這些非晶區(qū)交錯(cuò)排列角：每隔40nm便存在非晶區(qū)吸收水分后，無(wú)序區(qū)域水化——影響纖維的完整性4.1.3角4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理71角的斷裂特性類似于草：新鮮或潮濕的角對(duì)切口不敏感→有效的消除應(yīng)力集中→更堅(jiān)韌潮濕的角可以保護(hù)骨質(zhì)角芯免受傷害→

含水量大則基體變軟，剛度下降牛戰(zhàn)斗前：將角浸入淤泥中，或在有露水的灌木中舞動(dòng)→吸水使角堅(jiān)韌→有利于戰(zhàn)斗4.1.3角4.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理724.1生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理4.1.1蝗蟲腱

生物形態(tài)學(xué)知識(shí)；力學(xué)性能；

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料行為；層合板效應(yīng)；材料失效

4.1.2草葉4.1.3角734.0材料的基本力學(xué)性能

生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理4.2硬度與脆性

基體硬化4.4疊層復(fù)合——改善韌性

加入填充劑的生物復(fù)合纖維

胞狀材料4.7

“材料”與“結(jié)構(gòu)”的區(qū)別Chapter4：生物復(fù)合纖維744.2硬度與脆性增加材料的硬度將使應(yīng)力從一部分向另一部分的傳遞更容易生物硬材料：抵抗外力而不發(fā)生延伸或流變?nèi)菀滓胛⑿〉牧W(xué)缺陷如：在骨或昆蟲硬殼上的劃痕可潛在的削弱材料引入裂紋75硬材料中缺陷易導(dǎo)致應(yīng)力集中→導(dǎo)致脆性斷裂如：玻璃切割4.2硬度與脆性避免材料脆性問(wèn)題的途徑：裂紋鈍化

保護(hù)表面（層）免受傷害76若裂紋尖端鈍化→應(yīng)力可擴(kuò)展到較多的鍵上

→增加韌性多見于高應(yīng)變材料在復(fù)合材料中亦可4.2硬度與脆性復(fù)合材料中的裂紋鈍化：77裂紋尖端存在垂直于裂紋擴(kuò)展方向的剪切應(yīng)力分量，約為打開裂紋應(yīng)力的1/5此剪切分量在材料的薄弱區(qū)域（如纖維-基體界面）會(huì)使裂紋轉(zhuǎn)向，垂直于主裂紋擴(kuò)展路徑→

使主裂紋尖端鈍化此二次裂紋可吸收能量復(fù)合材料中的裂紋鈍化：78避免脆性的另一途徑：保護(hù)表面免受傷害在絲蛋白中：由覆蓋于外的絲膠層構(gòu)成昆蟲表皮中：由包圍幾丁質(zhì)纖維的蛋白質(zhì)基質(zhì)完成4.2硬度與脆性794.0材料的基本力學(xué)性能

生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理

硬度與脆性

基體硬化4.4疊層復(fù)合——改善韌性

加入填充劑的生物復(fù)合纖維

胞狀材料4.7

“材料”與“結(jié)構(gòu)”的區(qū)別Chapter4：生物復(fù)合纖維804.3基體硬化昆蟲表面的剛化蛋白質(zhì)硬化蛋白質(zhì)-幾丁質(zhì)硬化膠的硬化814.3基體硬化草的剛度由于水分的喪失而提高昆蟲表面的剛化：交聯(lián)

脫水82Pryor以蟑螂蛋殼（只含有蛋白質(zhì)，無(wú)幾丁質(zhì)）為研究對(duì)象結(jié)論：二羥酚被分泌入表皮后，在表皮中被氧化成醌，而醌具有雙重作用并使相鄰蛋白質(zhì)鏈交聯(lián)交聯(lián)蛋白質(zhì)殼在粘腺中產(chǎn)生，即革化其革化只能是蛋白質(zhì)的交聯(lián)4.3基體硬化83脫水Fraenkel和Rudall以含有幾丁質(zhì)的表皮為研究對(duì)象結(jié)論：在Pryor假說(shuō)基礎(chǔ)上的發(fā)展，硝化處理（實(shí)際上是酚的硝化，即交聯(lián)過(guò)程）后，表皮中最重要的變化是水分的損失，即基體脫水可以增大表皮的硬度酚的硝化（交聯(lián)革化）和脫水可見：表皮同時(shí)發(fā)生兩個(gè)過(guò)程：4.3基體硬化84蛋白質(zhì)硬化：基體中的蛋白質(zhì)交聯(lián)硬化，不一定需要共價(jià)鍵

只有節(jié)肢彈性蛋白顯示出共價(jià)鍵交聯(lián)的表皮實(shí)驗(yàn)證明：利用橡膠彈性計(jì)算出的交聯(lián)量與通過(guò)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)估計(jì)的值一致交聯(lián)材料幾乎無(wú)粘彈性節(jié)肢彈性蛋白的蛋白質(zhì)具有低疏水性指數(shù)，這表明蛋白質(zhì)鏈間無(wú)作用（即肽鏈之間無(wú)作用）→由此可計(jì)算共價(jià)交聯(lián)本身對(duì)表皮剛度的貢獻(xiàn)4.3基體硬化85對(duì)于大多數(shù)蛋白質(zhì)的硬化：

酚型交聯(lián)

蛋白質(zhì)之間具有強(qiáng)的相互作用如果只有酚型交聯(lián)而無(wú)其他方式相互作用的表皮——不能解釋其消化后的剛度蛋白質(zhì)硬化：4.3基體硬化86蛋白質(zhì)之間的強(qiáng)烈作用導(dǎo)致表皮具有較高的剛度，且隨著含水量的減少而加強(qiáng)蛋白質(zhì)的高疏水作用有利于水分的散失表皮越硬，疏水性越強(qiáng)4.3基體硬化蛋白質(zhì)硬化：87并非所有的表皮都具有高疏水性，其他表皮：有些幼蟲表皮含水量高，而蛋白質(zhì)鏈間無(wú)作用→

處于未革化狀態(tài)有些表皮中脫水導(dǎo)致基體中晶型結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生→

基體變得與幾丁質(zhì)一樣不溶基體硬化的因素很多，并未完全清楚4.3基體硬化88蛋白質(zhì)-幾丁質(zhì)硬化：通過(guò)顏色（棕褐色最為典型）、硬度及是否存在酚來(lái)識(shí)別,通常與幾丁質(zhì)有關(guān).如：腔腸動(dòng)物Obelia顏色：棕褐色成分：由蛋白質(zhì)-幾丁質(zhì)材料構(gòu)成，在鞘的生長(zhǎng)區(qū)大量分布的革化細(xì)胞內(nèi)液泡中發(fā)現(xiàn)有酚的前驅(qū)（鄰苯酚胺）、酚氧化酶和蛋白質(zhì)藪（sou）枝蟲4.3基體硬化89貽貝：雙殼類的一種貝類“崎嶇海岸居民”膠的硬化：4.3基體硬化黑玉斷續(xù)膏可否成為現(xiàn)實(shí)？？醫(yī)學(xué)：“超級(jí)膠水”9091特點(diǎn)：是一種蛋白質(zhì)物質(zhì)（膠粘蛋白），很堅(jiān)固而又有韌性，固著的力量很大，能粘附船體、玻璃以及水井乃至聚四氟乙烯這類超強(qiáng)材料，無(wú)所不能粘。在水下可以硬化功能：固著在海底巖石或共他外物上生活?？擅撀?，可分泌新的足絲，重新固著。足絲4.3基體硬化92膠的硬化：貽貝的足絲狀體產(chǎn)生的膠通過(guò)脫水固化，并產(chǎn)生酚型交聯(lián)分析表明：粘結(jié)劑由十種氨基酸的重復(fù)序列或其子序列構(gòu)成這使得它與大量不同基體發(fā)生各種不同類型的相互作用成為可能粘結(jié)劑內(nèi)部通過(guò)酚型交聯(lián)使硬度加大，并將水分排出，硬度進(jìn)一步加大4.3基體硬化93生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：例如皮膚縫合和斷骨連接（現(xiàn)實(shí)的“黑玉斷續(xù)膏”）；醫(yī)學(xué)裝置研究表明：貽貝蛋白質(zhì)中高濃度的名為DOPA的氨基酸與貽貝膠黏物的特殊黏性具有密切關(guān)系。DOPA特點(diǎn)：能夠在有機(jī)體的表面形成共價(jià)鍵

氧化鍵如果在水中被破壞依然能夠重新形成膠的硬化：貽貝膠的應(yīng)用4.3基體硬化已被作為商業(yè)粘結(jié)劑→可用于潮濕的環(huán)境和生物敏感的環(huán)境如：固定牙冠94展望：DOPA在生物醫(yī)學(xué)裝置中非常有用。嶄新課題：DOPA與陶瓷和金屬的粘結(jié)。實(shí)現(xiàn)在金屬植入物——包括前列腺支架、心臟瓣膜或其他裝置——表面形成一個(gè)涂層，那么這種化合物將能夠有效防止血細(xì)胞和蛋白質(zhì)的聚積。不會(huì)導(dǎo)致血管堵塞。又由于它可以保護(hù)金屬，可以使金屬植入物壽命更長(zhǎng)Kaleem指出：蛋白質(zhì)具有高強(qiáng)度和粘結(jié)性能，是最具潛在使用價(jià)值的聚合物NeritesCorp膠的硬化：貽貝膠的應(yīng)用4.3基體硬化95新型的壁虎貽貝膠(geckelglue)：

干濕表面都通用；能重復(fù)使用一千次以上?？赏性S多醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，例如防水繃帶、護(hù)創(chuàng)膠布、投藥貼片，以及用來(lái)修復(fù)皮膚創(chuàng)傷，甚至做為干濕兩用便利貼。

4.3基體硬化964.0材料的基本力學(xué)性能

生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理

硬度與脆性

基體硬化4.4疊層復(fù)合——改善韌性

加入填充劑的生物復(fù)合纖維

胞狀材料4.7

“材料”與“結(jié)構(gòu)”的區(qū)別Chapter4：生物復(fù)合纖維974.4疊層復(fù)合——改善韌性昆蟲表皮：層狀材料，性能沿著厚度方向變化采用Mallory三色法區(qū)分：變?yōu)樗{(lán)色最外層：硬化層——外表皮中間層：中表皮內(nèi)層：較軟，未硬化——內(nèi)表皮表皮不變色或變?yōu)殓晟蚣t色98層狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：可存儲(chǔ)能量如跳動(dòng)甲蟲的腿部表皮——能量存儲(chǔ)于彎曲中如圖，力學(xué)模型4.4疊層復(fù)合——改善韌性韌性：材料抵抗沖擊的能力（KJ／m2）99梁的彎曲實(shí)際上是壓縮革化表皮，而拉伸未革化表皮如果上層革化表皮E1>>下層未革化表皮E2，且厚度為3:1時(shí)，可以4.4疊層復(fù)合——改善韌性中性軸：既無(wú)拉伸，也無(wú)壓縮的線。100ker證明：若E1與E2相差2，則此雙層結(jié)構(gòu)有利于存儲(chǔ)能量——?dú)w因于中性軸的偏移給表皮提供了更大的變形內(nèi)外表皮的雙層結(jié)構(gòu)可吸收和存儲(chǔ)能量大大增加了表皮抵抗沖擊載荷而不發(fā)生破裂的能力——改善韌性4.4疊層復(fù)合——改善韌性101——雙懸臂梁試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)粘結(jié)合適時(shí)，裂紋可同時(shí)在兩層中傳播韌性較小的層中，斷裂受到抑制韌性較好的層中，斷裂提前有能量通過(guò)粘結(jié)處從韌性較小的層向韌性較大的層傳遞Guild研究了層狀結(jié)構(gòu)的斷裂韌性4.4疊層復(fù)合——改善韌性韌性：材料抵抗沖擊的能力（KJ／m2）102纖維斷裂裂紋擴(kuò)展方向當(dāng)材料受到較大應(yīng)力時(shí)，一些有裂紋的纖維可能斷裂，但基體能阻礙裂紋擴(kuò)展并改變裂紋擴(kuò)展方向。4.4疊層復(fù)合——改善韌性103復(fù)合材料的斷裂載荷（Xc）為兩層斷裂載荷（X1,X2）的幾何平均：大于其算術(shù)平均值——1+1>24.4疊層復(fù)合——改善韌性此模型已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)104若兩層厚度不同（t1,t2），在不同的裂紋阻力下，則：各層斷裂時(shí)的載荷：其中：4.4疊層復(fù)合——改善韌性模型計(jì)算105模型計(jì)算的理論假設(shè)各層為彈性體，符合胡克定律：F=aL其中a為彈性常數(shù)對(duì)于生物材料，只有在小應(yīng)變條件下才可適用模型→內(nèi)表皮的模量隨應(yīng)變而改變，因?yàn)閹锥≠|(zhì)纖維沿著應(yīng)變方向取向4.4疊層復(fù)合——改善韌性模型計(jì)算106疊層復(fù)合材料：由多種片狀材料疊合組成。4.4疊層復(fù)合——改善韌性應(yīng)用若零件或構(gòu)件在各個(gè)方向上的性能要求都很高，只采用一個(gè)方向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不能滿足時(shí)，必須采用一種疊層結(jié)構(gòu)，其中每一層的纖維都按照一定的方向鋪設(shè)，稱為疊層復(fù)合材料。107疊層復(fù)合材料：如雙金屬板，夾層玻璃，多層板等。4.4疊層復(fù)合——改善韌性應(yīng)用1084.0材料的基本力學(xué)性能

生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理

硬度與脆性

基體硬化4.4疊層復(fù)合——改善韌性

加入填充劑的生物復(fù)合纖維

胞狀材料4.7

“材料”與“結(jié)構(gòu)”的區(qū)別Chapter4：生物復(fù)合纖維1094.5加入填充劑的生物復(fù)合纖維軟體動(dòng)物的齒舌——與昆蟲的表皮非常相似→帶狀革化蛋白質(zhì)和幾丁質(zhì)生成牙齒鐵和硅結(jié)合進(jìn)入齒舌的牙齒，在生長(zhǎng)過(guò)程中，牙齒變硬110硬度的測(cè)定：壓痕法將四棱錐形標(biāo)準(zhǔn)尺寸的金剛石壓入待測(cè)物，測(cè)量壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度即可給出硬度的量度測(cè)得的硬度與材料的剪切剛度、剪切強(qiáng)度、剪切變形相關(guān)粘彈性能也有影響——粘彈性越大，負(fù)荷移走后持續(xù)恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)→

硬度為一相對(duì)值4.5加入填充劑的生物復(fù)合纖維111Si和Fe在牙齒中的分布圖4.5加入填充劑的生物復(fù)合纖維Si和Fe以顆粒狀存在112硅石硬度：；赤鐵礦硬度：這與牙齒中含Si和Fe部分的硬度差別很大且所測(cè)硬度不隨Si和Fe的含量而變化因?yàn)?

Si和Fe以顆粒狀存在(點(diǎn))，而壓痕為方形(面)，所測(cè)為復(fù)合材料(纖維/基體)的硬度復(fù)合材料中塑性行為由基體控制，內(nèi)含的顆粒對(duì)基體的屈服行為有影響，但不是控制因素4.5加入填充劑的生物復(fù)合纖維113Zn、Mn也是與硬度相關(guān)的金屬：幾乎所有的食草昆蟲，其顎的切削邊都含有一種金屬如：蝗蟲——Fe蜘蛛、蝎——Zn、Mn、Fe

但同一部位不能同時(shí)含有兩種金屬4.5加入填充劑的生物復(fù)合纖維1144.0材料的基本力學(xué)性能

生物復(fù)合纖維實(shí)例與機(jī)理

硬度與脆性

基體硬化4.4疊層復(fù)合——改善韌性

加入填充劑的生物復(fù)合纖維4.6胞狀材料4.7

“材料”與“結(jié)構(gòu)”的區(qū)別Chapter4：生物復(fù)合纖維115人造結(jié)構(gòu)材料往往追求高致密固體：鋼、水泥、玻璃等。自然界卻往往選用胞狀材料作為大型生物或植物的構(gòu)體（樹木、骨骼、珊瑚等）。如：大恐龍有25架飛機(jī)那么大；紅木樹可高達(dá)100米，重達(dá)2500噸胞狀材料同時(shí)具備最佳剛度、強(qiáng)度和重量。啟發(fā)：人們?cè)谔剿餍虏牧蠒r(shí)不妨模仿與大自然提供的材料具有一樣的胞狀結(jié)構(gòu)的材料或許是最佳選擇。4.6胞狀材料1164.6胞狀材料4.6.1木材4.6.2其它植物結(jié)構(gòu)1174.6胞狀材料植物、動(dòng)物中很多為“皮-芯”或三明治結(jié)構(gòu)外表層為較硬的拉伸膜內(nèi)表層為非常輕且類似泡沫，由細(xì)胞構(gòu)成如：骨、木材、真菌或多孔菌結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：由外膜承受大部分的應(yīng)力，具有力學(xué)和生物學(xué)優(yōu)點(diǎn)118細(xì)胞泡沫膠可看作眾多小梁的集合當(dāng)泡沫膠受壓縮時(shí)：內(nèi)部支柱和梁彎曲→發(fā)生變形應(yīng)變較大時(shí)：柱子屈曲，發(fā)生塑料彎曲或斷裂各部分靠緊，且相互作用模量增大密度增加4.6胞狀材料119彈性段與屈服段的行為取決于泡沫膠材料是彈塑性還是脆性的（應(yīng)力-應(yīng)變曲線）但拉伸曲線相似研究較多的胞狀材料為：骨、角蛋白胞狀材料等羽毛：羽軸充滿泡沫膠，使剛度增加了16%刺猬：刺中部為泡沫膠，使刺彈性屈曲而不斷裂4.6胞狀材料120相關(guān)仿生：金屬泡沫或金屬多孔材料是80年代后期國(guó)際上迅速發(fā)展起來(lái)的一種物理功能與結(jié)構(gòu)一體化的新型工程材料。它所具備的多種優(yōu)異物理性能特別是阻尼性能已引起廣泛關(guān)注，并在消聲、減震、分離工程、催化載體、屏蔽防護(hù)、吸能緩沖等一些高技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。4.6胞狀材料90年代起，民用工業(yè)，尤其是建筑業(yè)已開始組織生產(chǎn)，目前日本已上市供應(yīng)大塊泡沫鋁材。

1214.6.1木材胞狀材料在植物中占有重要的地位，最典型的是木材木材比剛度≈鋼木材比強(qiáng)度≈4×鋼

（強(qiáng)度約為鋼的1/4）而價(jià)格≈1/60×鋼缺點(diǎn)：易腐爛122結(jié)構(gòu)：木材由平行的柱狀細(xì)胞構(gòu)成細(xì)胞周圍是螺旋形環(huán)繞的纖維素，且主要沿著一個(gè)方向植在木質(zhì)素的基體中（木質(zhì)素是一種復(fù)雜的聚合物樹脂）拉伸時(shí)這些細(xì)胞可看作是植入基體的平行不連續(xù)纖維系統(tǒng)4.6.1木材123如：錫特卡云杉單個(gè)柱狀細(xì)胞拉伸剛度Ef=12.5GPa,拉伸強(qiáng)度σf=170MPa,細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)Vf=80%則復(fù)合材料性能計(jì)算可得：Ec=Ef×Vf=10GPa,σc=σf×Vf=136MPa實(shí)測(cè)值：Ec測(cè)=10GPa,σc測(cè)=100MPa4.6.1木材124溫度對(duì)韌性的影響：→溫度降低，斷裂功增加，韌性改