浙江大学：《生物与医用材料》课程教学课件（讲稿）第一部分 生物组织与材料仿生 第四章 碳酸钙及其生物矿物 4.2 珍珠质的性能及仿生材料

84.3珍珠质的性能一、珍珠质力学性能400屈服和加工硬化Compression(edw)300Tension200FOss100弹性变形V00.20.60.40.80Strain (%)(a)珍珠质沿文石板片方向拉伸应力-应变曲线表现与金属相似的行为弹性、屈服、加工硬化、稳态流变、断裂等阶段

珍珠质沿文石板片方向拉伸应力-应变曲线表现与金属相似的行为： 弹性、屈服、加工硬化、稳态流变、断裂等阶段 §4.3 珍珠质的性能 一、珍珠质力学性能 弹性变形 屈服和加工硬化

屈服、加工硬化和塑性变形给珍珠质带来了高的断裂功和韧性材料断裂功矿物相含量弯曲强度(V%)(MPa)(J/m2)人骨41270170048250牙本质5509276牙釉质20095珍珠质200600-12407氧化铝100100-1000

屈服、加工硬化和塑性变形给珍珠质带来了高的断裂功和韧性 材料 矿物相含量 弯曲强度 断裂功 (V%) (MPa) (J/m2) 人骨 41 270 1700 牙本质 48 250 550 牙釉质 92 76 200 珍珠质 95 200 600-1240 氧化铝 100 100-1000 7

AlO,断裂韧性低源于裂纹尖端缺乏塑性变形区，导致强烈应力集中：金属材料则相反，塑性变形释放了裂纹尖端的应力集中。珍珠质较高的断裂韧性也应该源于相同的原理，那么它的塑性变形是如何发生的？断裂韧性ElasticMaterials中(Klc, MPa.m1/2)Al,03: 3.5CaCO:0.15-0.8Nacre:8~10InelasticMaterialsDistancetotheNotch裂纹尖端脆性和韧性材料裂纹尖端的应力分布区别

断裂韧性 (K1c, MPa.m1/2) Al2O3: 3.5 CaCO3: 0.15-0.8 Nacre: 8~10 Inelastic Materials Distance to the Notch Elastic Materials s s Al2O3断裂韧性低源于裂纹尖端缺乏塑性变形区，导致强烈应力集中；金属材料 则相反，塑性变形释放了裂纹尖端的应力集中。珍珠质较高的断裂韧性也应该源 于相同的原理，那么它的塑性变形是如何发生的？ 脆性和韧性材料裂纹尖端的应力分布区别 裂纹尖端

1.珍珠质裂纹尖端的“塑性变形”的实验观察NO0StraingageCOMPRESSION400PI22350(e)se300Pn2Pr2250200TENSION150100Haliofisrufescens50Pinctadamaxima0k1mm00.0020.0040.0060.0080.0100.012StrainO光干涉实验观察到裂纹尖端的塑弯曲试验应力-应变曲线性变形区

1. 珍珠质裂纹尖端的“塑性变形”的实验观察 弯曲试验应力-应变曲线 光干涉实验观察到裂纹尖端的塑 性变形区

在显微镜下可以观察到白色变形区是文石板片之间相对滑移的结果Edge-onFace-onMagnification

在显微镜下可以观察到白色变形区是文石板片之间相对滑移的结果

CrackAcc.VSpotMagnDetwDum5.00kV2.020000xSE10.3鲍鱼珍珠质中片层之间的滑移

鲍鱼珍珠质中片层之间的滑移 Crack

2.文石板片之间滑移的阻力分析和加工硬化模拟200nm文石板片表面的纳米突起是相互之间滑移阻力的主要来源

2. 文石板片之间滑移的阻力分析和加工硬化模拟 文石板片表面的纳米突起是相互之间滑移阻力的主要来源

纳米突起的相互爬升导致了加工硬化MeasuredStress/strainCurvePeriodicBoundaryConditions66sssasSteady-BCStateDomainXHardeningDomainStrainc)假设纳米突起的波长为21文石板片长度为La则加工硬化区的应变量为/如果21=20nmL=5000nm1/L=10/5000=1/500-0.2%

纳米突起的相互爬升导致了加工硬化 假设纳米突起的波长为 2l 文石板片长度为 L 则加工硬化区的应变量为 l/L 如果2l=20nm L=5000nm l/L=10/5000=1/500=0.2%

层片间的有机物层（丝心蛋白和几丁质）在变形过程中是什么作用呢？增加板片滑移阻力？为板片滑移润滑？200pN206004080蛋白层受拉时的力学响应Extension(nm)

蛋白层受拉时的力学响应 层片间的有机物层（丝心蛋白和几丁质） 在变形过程中是什么作用呢？ 增加板片滑移阻力？为板片滑移润滑？

层片间的有机物层（丝心蛋白和几丁质）在变形过程中是什么作用呢？增加板片滑移阻力？为板片滑移润滑？组织板片间开裂？CrackbridgeCrack Bridging

Crack Bridging Crack bridge 层片间的有机物层（丝心蛋白和几丁质）在变形过程中是什么作用呢？ 增加板片滑移阻力？为板片滑移润滑？组织板片间开裂？