15-材料力學(xué)性能130107

復(fù)習(xí)三、多孔材料的力學(xué)性能多孔材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？有什么用處？力學(xué)性能的特點(diǎn)？四、非晶合金的力學(xué)性能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?高硬、高強(qiáng)度，機(jī)理？有塑性嗎？機(jī)理？五、納米材料的力學(xué)性能納米金屬的超塑性反霍爾-佩奇關(guān)系？陶瓷納米復(fù)合增韌六、生物材料的力學(xué)性能概述“天然生物材料”和”生物醫(yī)用材料”天然生物材料：生物醫(yī)用材料：假牙、人工髖關(guān)節(jié)、人工心臟(b)人工髖關(guān)節(jié)(c)心臟瓣膜(a)齒科植入材料牙、骨、貝殼、珍珠、蠶絲、蜘蛛絲蜘蛛絲放射狀骨架絲(縱絲)；牽引絲(逃命)反時(shí)針織造圓形螺旋絲（橫絲）上有粘珠：4%粘性物質(zhì)+80%水捕獲飛蟲養(yǎng)只蜘蛛保護(hù)地球NASA科學(xué)家→巨大的太空蜘蛛蜘蛛絲的力學(xué)性能韌性是鋼筋的6倍，斷裂強(qiáng)度800MPa彈性是尼龍的2倍，拉伸10倍不斷裂，支撐4千倍體重鉛筆粗蜘蛛絲可攔截飛行的波音747客機(jī)優(yōu)異的能量吸收如何得知？蜘蛛俠天然生物材料的力學(xué)性能 ←10億經(jīng)費(fèi)蜘蛛絲的力學(xué)性能

YiLIU,ZhengzhongShaoandF.VollrathRelationshipsbetweensupercontractionandmechanicalpropertiesofspidersilk

naturematerials,VOL42005

斷裂強(qiáng)度800-1400MPa優(yōu)異的能量吸收為什么有如此性能？什么樣的結(jié)構(gòu)？為什么這種結(jié)構(gòu)具有特殊的力學(xué)性能？如何獲得這種結(jié)構(gòu)？

半結(jié)晶超分子結(jié)構(gòu)2003Nature捕獲絲的超分子結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)！養(yǎng)蜘蛛？人工制備？其他文獻(xiàn)？結(jié)構(gòu)

“疊層磚墻式復(fù)合”結(jié)構(gòu) 超薄CaCO3(95%)+納米厚度的有機(jī)物性能

硬度為CaCO3的2倍；韌性為其1000倍貝殼的力學(xué)性能

機(jī)理？類型晶體蛋白質(zhì)基體(wt%)強(qiáng)度/MPa硬度MPa拉伸壓縮彎曲棱柱方解石1%~4%60250140162珍珠層文石1%~4%130380220168交叉疊層文石0.01%~4%40250100250簇葉方解石0.1%~0.3%30150100110均勻分布文石/3025080/200nm+5nm0.5mm厚500μm=5×105nm200nm寬，厚度方向有2500塊磚位移5nm，總位移12500nm=12.5μm變形量：12.5/500=2.5%1cm長(zhǎng)10mm=1×104μm磚長(zhǎng)2μm，磚數(shù)量：10000/2=5000塊位移5nm，總位移=25μm變形量：25/10000=2.5%機(jī)理片層間相互滑移→斷裂前能經(jīng)受較大的塑性變形裂紋沿層片間的有機(jī)層擴(kuò)展→阻止裂紋的穿透擴(kuò)展開裂，片層之間摩擦力(拔出)→消耗裂紋擴(kuò)展能量1.0μ1.0μ珍珠層裂紋擴(kuò)展過程的原位觀察FreezingasaPathtoBuildComplexComposites

SylvainDeville,EduardoSaiz,RaviK.Nalla,?AntoniP.TomsiaSCIENCE,VOL31127JANUARY2006如何制備？Fig.1.ProcessingprinciplesandmaterialsWhiletheceramicslurryisfreezing,thegrowingicecrystalsexpeltheceramicparticles,creatingalamellarmicrostructureorientedinadirectionparalleltothemovementofthefreezingfront(A).Densecompositesareobtainedbyinfiltratingtheporouslamellarceramicwithasecondphase(e.g.,apolymeroraliquidmetal).Naturalnacrehasabrick-mortar-bridgesmicrostructure:B,C,D.E,F:thealumina–Al-Sicomposite

水的凝固---相變《水知道答案》田園交響曲離別曲Fig.3.MechanicalresponseofnaturalandsyntheticITcomposites.Thethree-pointsbendingload-displacementdataforITHAP-epoxycomposites(A)wasqualitativelyverysimilartothatofnacre(C)SEMoftheITcomposites(B)andnacre(C)revealsimilarfeaturesonthefracturesurface.Extensivecrackdeflectionattheorganic-inorganicinterfaceresultsintortuouscrackpathsandcontributestothetougheninginbothcases(D).Theroleoftheinterfacialchemistryinthebondingbetweenlayersandthefinalmechanicalpropertiesofthematerialisillustratedinthedata(E)foralumina–Al-Sicomposites(45/55vol%);theadditionof0.5wt%titaniumtothealuminumalloysignificantlyincreasesthestrengthandtoughnessofthematerials.如何制備出更好的？可開展更多研究磚的大小、厚度如何控制？粘結(jié)劑如何填充進(jìn)去？力學(xué)性能的定量表達(dá)式？磚的形狀海膽牙齒不鈍之謎/world/2010-12/27/《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》美國(guó)威斯康星－麥迪遜大學(xué)負(fù)責(zé)人普帕·吉爾伯特教授海膽咀嚼石頭建窩，牙齒不鈍牙齒結(jié)構(gòu)：方解石+納米粘結(jié)劑牙齒變鈍，有機(jī)材料脫落露出新的鋒利方解石層“自我鋒利”的刀具？醫(yī)用材料的力學(xué)性能各種醫(yī)用材料應(yīng)用材料種類骨骼人工關(guān)節(jié)金屬骨固定板牙齒修復(fù)鈦鋁釩合金，不銹鋼，聚乙烯不銹鋼，鈷鉻合金鈦，氧化鋁，磷酸鈣心血管系統(tǒng)血管心臟瓣膜導(dǎo)管特氟隆，滌綸，聚氨酯不銹鋼，碳材料，鈦合金硅膠，特氟隆，聚氨酯器官人工心臟人工皮膚聚氨酯硅膠-膠原復(fù)合物Ti6Al4V生物醫(yī)用材料的使用環(huán)境特點(diǎn)與活組織作用生物相容性生物醫(yī)用材料特殊要求可吸收可降解生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能斷裂（折斷、疲勞）磨損應(yīng)力腐蝕開裂？左腳應(yīng)力性開裂力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)構(gòu)分析骨的分析承重骨干軸向強(qiáng)度高牙的分析20MPa，3000次/天牙釉質(zhì)：高硬度牙本質(zhì)：韌性

表皮質(zhì)骨的力學(xué)性能性能指標(biāo)加載方向與骨干平行垂直拉伸強(qiáng)度/MPa124~17449~51壓縮強(qiáng)度/MPa170~193133彎曲強(qiáng)度/MPa160彈性模量/GPa17.0~18.911.5剪切模量/GPa3.3KIC/MPa·m1/22~12表牙齒的力學(xué)性能牙本質(zhì)牙釉質(zhì)抗壓強(qiáng)度/MPa300330硬度Hv70＞300生物材料的力學(xué)性能生物醫(yī)用金屬材料

表幾種生物醫(yī)用金屬材料的力學(xué)性能密度g/cm3彈性模量GPa硬度Hv壓縮強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度MPa延伸率%不銹鋼F55退火態(tài)7.920018317046540F55冷加工7.920032069085012鈷基合金鑄CoCrMo退火態(tài)7.820030045566510鍛CoCrMo退火態(tài)9.1523024039088030鍛CoCrMo冷加工9.15230450100015009鈦基合金Ti退火態(tài)4.512726044356315Ti6Al4V退火態(tài)4.41273308309008不銹鋼、鈷基和鈦基合金高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能材料：Al2O3、ZrO2，羥基磷灰石等優(yōu)點(diǎn)：生物相容性較好缺點(diǎn)：脆，因此常用在表面骨骼系統(tǒng)的修復(fù)和替換表幾種生物醫(yī)用陶瓷材料的力學(xué)性能密度g/cm3彈性模量GPa硬度Hv壓縮強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度MPaAl2O3高純態(tài)3.9338023005504500C低溫各向同性態(tài)1.6~2.218~28150~250280~560/玻璃態(tài)1.4~1.624~31150~25070~210/超低溫各向同性態(tài)1.5~2.214~21150~250350~700/ZrO2熱等靜壓燒結(jié)態(tài)6.120013001200/生物醫(yī)用陶瓷材料前述材料的復(fù)合，生物、力學(xué)等性能的優(yōu)化人和動(dòng)物體中絕大多數(shù)是復(fù)合材料

表幾種生物醫(yī)用復(fù)合材料的力學(xué)性能密度g/cm3彈性模量GPa壓縮強(qiáng)度MPa抗彎強(qiáng)度MPa最小延伸率%聚甲基丙烯酸甲酯/5.52/38①0.7C60SiC2.61001000220＜1C60SiC(5%孔隙率)2.480~90250~370220~360/碳纖維增強(qiáng)碳1.7140800800＞4環(huán)氧樹脂12.5碳/14/200/連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚砜/110/