生物材料学课件

生物材料学邢欣航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室1主要章节Chapter

1：绪论Chapter2：结构蛋白质Chapter

3：结构多糖及生物软组织Chapter

4：生物复合纤维Chapter

5：生物矿化及生物矿化原理Chapter

6：生物相容性Chapter

7：仿生和组织工程材料2结构蛋白结构多糖生物软组织生物复合纤维生物矿物生物材料3Chapter3结构多糖及生物软组织

糖

蛋白质与多糖的混合

粘液

柔性基质3.5海葵的骨架

雌性蝗虫的节间膜

皮肤

应力-应变性质

泊松比

断裂水产生的刚化4

多糖因其简单的化学合成和极其丰富的资源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、角叉菜胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺织以及染织等。结构多糖5

柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中而形成。以海葵的骨架为例加州海岸老年海葵中胶层的组成为：盐5%胶原6.7%基质2%水86%在较大的应力下，胶原纤维取向变化，中胶层在应力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地恢复原形。生物软组织6海葵的中胶层：由不连续的胶原纤维和大量多糖组成的简单结缔组织。789Chapter3结构多糖及生物软组织

糖

蛋白质与多糖的混合

粘液

柔性基质3.5海葵的骨架

雌性蝗虫的节间膜

皮肤

应力-应变性质

泊松比

断裂水产生的刚化10结构蛋白结构多糖生物软组织生物复合纤维生物矿物生物材料11主要章节Chapter

1：绪论Chapter2：结构蛋白质Chapter

3：结构多糖及生物软组织Chapter

4：生物复合纤维Chapter

5：生物矿化及生物矿化原理Chapter

6：生物相容性Chapter

7：仿生和组织工程材料12→

纤维会发生取向或位移Chapter4：生物复合纤维柔性组织材料=柔软的基体+硬的纤维承受由内压产生的负荷（如软骨细胞）承受沿长度方向上的载荷（如腱）柔性组织材料不能承受弯曲和压缩载荷软纤维的作用：引入各向异性（例如海葵的中胶层）13可承受弯曲和压缩载荷的途径：增加基体的剪切刚度——使基体硬化，并实现应力传递选择生物陶瓷材料，如钙的碳酸盐或磷酸盐硬Chapter4：生物复合纤维14硬材料的作用：保护作用（软体动物的壳、头盖骨等）成形并起支撑作用（如硅藻，节肢动物的外骨骼）各类武器（如牙齿、刺等）本章将探讨：

如何设计满足力学性能要求的纤维复合材料以及纤维组装增强机理硬Chapter4：生物复合纤维154.0材料的基本力学性能

生物复合纤维实例与机理

硬度与脆性

基体硬化4.4叠层复合——改善韧性

加入填充剂的生物复合纤维

胞状材料4.7

“材料”与“结构”的区别Chapter4：生物复合纤维16承载能力：在结构承受载荷或机械传递运动时，为保证各构件或机械零件能正常工作，构件和零件必须符合如下要求：具有足够的强度,具有足够的刚度,构件不会失去稳定性.4.0材料的基本力学性能17强度(Strength)：构件承受载荷作用而不发生塑性变形或断裂的能力。（抵御破坏的能力）刚度(Stiffness)：构件承受载荷作用而不发生过大弹性变形的能力。（抵抗变形的能力）稳定性(Stability)：构件承受载荷作用而不发生平衡与变形形式转变的能力。（保持原有平衡形式的能力）4.0材料的基本力学性能18脆性：材料在破坏之前无明显变形的性质。韧性：材料抵抗冲击的能力（KJ／m2）塑性：当载荷超过限度时，则在载荷撤去后只能部分地复原而残留一部分不能消失的变形。材料所具有的保持不可恢复的变形的性质成为塑性。不能消失而残留下来的那一部分变形称为塑性变形。4.0材料的基本力学性能弹性：材料在载荷作用下将发生变形，当载荷不超过一定限度时，绝大部分的材料在载荷撤去后均能恢复原状。卸除荷载后能够消失的变形称为弹性变形。194.0材料的基本力学性能应力和应变（衡量材料力学性能时常使用应力和应变两个物理概念。）应力：作用在单位面积上的载荷，单位N/m2横截面积压力=应力(s)应力的基本类型：拉应力、压应力、剪应力204.0材料的基本力学性能应力和应变（衡量材料力学性能时常使用应力和应变两个物理概念。）应变：物体对应于施加的载荷而产生的变形变形前的长度=应变(e)变形后的长度—变形前的长度21拉压变形剪切变形4.0材料的基本力学性能变形类型224.0材料的基本力学性能变形类型扭转变形弯曲变形23研究方法将构件变形形式分为四种基本变形：4.0材料的基本力学性能变形类型轴向拉伸或压缩(拉压变形）剪切变形扭转变形弯曲变形24轴向拉伸或压缩：在一对作用线与直杆轴线重合且大小相等的外力作用下，直杆的主要变形是长度的改变。

4.0材料的基本力学性能变形类型25剪切变形：在一对相距很近的大小相等、方向相反的横向外力作用下，杆件的横截面将沿外力方向发生错动，这种变形称为剪切变形。4.0材料的基本力学性能变形类型26扭转变形：在一对大小相等、方向相反、位于垂直杆轴线的两平面内的力偶作用下，杆的任意两横截面将发生相对转动。这种变形称为扭转变形。

4.0材料的基本力学性能变形类型27弯曲变形：在一对大小相等、方向相反、位于杆的纵向平面内的力偶作用下，杆件将在纵向平面内发生弯曲变形。4.0材料的基本力学性能变形类型284.0材料的基本力学性能应力和应变的关系在弹性范围内，有σ∝ε29oa段为木材的弹性阶段，a点对应的应力为木材的比例极限，b点对应的应力为木材的弹性极限。在bc段，应力应变关系不呈直线，塑性变形主要发生在这一阶段，c点为木材所能承受的最大应力，称为强度极限或强度。c304.0材料的基本力学性能

模量拉伸模量TensilemodulusOr杨氏模量Young’smodulus材料对于拉伸或压缩变形的抵抗能力。

刚度(Stiffness)：构件承受载荷作用而不发生过大弹性变形的能力。（抵抗变形的能力）模量是反映材料力学性能的主要指标之一。它反映材料的抗形变能力。模量越高，表示材料的刚度越高，柔度越低。31引入的比例常数ε

式中：E

——拉压弹性模量，与材料有关，由实验获得，是材料的刚性指标。σ=

Eε

(胡克定律)4.0材料的基本力学性能

胡克定律324.0材料的基本力学性能4.1生物复合纤维实例与机理

硬度与脆性

基体硬化4.4叠层复合——改善韧性

加入填充剂的生物复合纤维

胞状材料4.7

“材料”与“结构”的区别Chapter4：生物复合纤维334.1生物复合纤维实例与机理4.1.1蝗虫腱

生物形态学知识；力学性能；

纤维增强复合材料行为；层合板效应；材料失效

4.1.2草叶4.1.3角3435蝗虫后腿的表皮内突36昆虫表皮：典型的纤维复合材料（几丁质纤维+蛋白质基体）374.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱昆虫表皮：典型的纤维复合材料蝗虫后腿的表皮内突特点：几丁质微纤维平均方向与长轴平行，偏差很小表皮内突在较长距离内高度均匀为张紧而设计，适用于拉伸实验→利用有关纤维复合材料理论来分析是可行的38腱作为一种纤维复合材料的生物形态学知识：原纤维为几丁质，基体为蛋白质4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱几丁质大量存在于昆虫和甲壳动物的甲壳中→几丁质又称为甲壳质→虾、蟹等壳中甲壳质为白色、无定型的半透明物质39几丁质是很强的氢键结合，稳定，在1M的NaOH中不溶解几丁质中含有较多的羟基基团，排列周期与氨基酸相同，具有类似β-折叠结构蛋白质中含有β-折叠区域，与几丁质相互作用，并附着在几丁质上（蛋白质块体呈球状，形成基体并分布于纤维之间）腱作为一种纤维复合材料的生物形态学知识：4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱40基体与几丁质纤维键合很好：拉伸断裂几乎没有纤维从基体中拔出力学性能实验数据：拉伸时纤维-基体界面无滑移，造成应力集中、脆性断裂等腱作为一种纤维复合材料的生物形态学知识：4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱41纵向模量：11GPa；横向模量：→此模量差异由几丁质原纤维的极限取向造成力学性能：4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱一些常用材料的杨氏模量材料钢铁铜铝铅玻璃橡胶E/GPa192-216113-15773-127约70约17约55约0.007842纵向拉伸：等应变沿着原纤维方向拉伸腱刚度大横向拉伸：等应力沿着与纤维垂直方向拉伸腱刚度小纵向模量：11GPa；横向模量：43其沿纤维方向的模量可表示为：Ec=EfVf(z)+Em(1-Vf)Ec为复合材料模量Ef为纤维模量Em为基体模量Vf为纤维体积分数z为各因素导致基体剪切的函数其中：（蝗虫腱中，几丁质纤维的体积分数为17%）4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱纤维增强复合材料的行为44模型计算所得数据：45几丁质刚度的估计值与纤维素刚度值吻合得较好蛋白质基体刚度的估计值与其经典值吻合几丁质纤维长度的估计与利用凝胶技术从表皮中得到的数据非常接近4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱纤维增强复合材料的行为模型推导和计算可以证明蝗虫腱与纤维增强复合材料的行为一致46模型分析：几丁质纤维不连续应力不能通过纤维端部传递应力必须通过沿纤维长度方向上的剪力来传递4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱纤维增强复合材料的行为47数学分析和试验证明：应力是在纤维的一定长度上（传输长度），从基体逐渐进入纤维的。剪应力在端部有最大值，而在中部最小拉应力在端部有最小值，而在中部最大48只有无限长的纤维才可以被拉紧而发生与整体复合材料相同的应变，而短纤维只能发生较小的应变→取决于基体在将应力向纤维传递时产生的剪应变此剪应变作为复合材料整体应变的一部分可以被测出基体剪切应变=总应变—纤维应变模型分析：4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱纤维增强复合材料的行为49总应变的1/4是由于基体的剪切产生的几丁质中存在的氢键存在变形，则对蠕变和能量损失有贡献4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱纤维增强复合材料的行为模型分析：50弹性粘弹性或塑性材料开始塑性变形时，外加应力突然下降的现象称为屈服点现象。应力下降的点称为屈服点。51发生纤维断裂还是流变取决于基体的剪切刚度及应力向纤维传递的程度如果基体不能传递给纤维足够的应力，则：纤维不断裂整体刚度不大纤维对整体刚度无贡献4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱纤维增强复合材料的行为模型分析：52如果基体可以传递给纤维足够的应力，则：纤维对刚度有贡献当Vf<Vf0（最小体积分数）时：→纤维全断，基体承载，复合材料失效实测：Vf>17%→

承载应力的是几丁质纤维（分析可知：Vf0约为10%）4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱纤维增强复合材料的行为模型分析：53象蝗虫腱这种具有单一取向几丁质纤维的表皮是极少数的→大多数表皮（毛孔管等）几丁质具有多种取向，显示出层合板效应对于完全的层合板效应复合材料模量下降到3/8优点：材料成为平面各向同性

4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱层合板效应5455在层合板中：断裂面偏转断裂面复杂，面积比简单的截面积要大得多目前，表皮复合材料的研究多限于拉伸而事实上，更多的情况是表皮在弯曲或受压时发生变形，受到剪切和压缩一般为不完全的层合板效应4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱层合板效应56早期的研究认为压缩失效的方式有两种：弯曲模式：纤维向内弯曲→基体以剪切方式失效剪切模式：纤维向外弯曲→基体受到压缩和拉伸失效类型依赖于：纤维的体积分数纤维-基体模量之比4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱材料的失效57几丁质含量较低的表皮很软(3%)→只能以剪切的方式失效而大多数的昆虫表皮中几丁质含量都大于15%58临界压缩应力的计算：如果纤维的剪切变形比基体小，则：σc=Gm/(1-Vf)其中：σc为复合材料的临界压缩应力Gm为基体的剪切模量Vf为纤维的体积分数对于蝗虫腱：

σc=48MPa，而事实上不可能达到这么大的力——计算值偏高→说明还受到其他因素的影响4.1生物复合纤维的实例与机理4.1.1蝗虫腱材料的失效594.1生物复合纤维实例与机理4.1.1蝗虫腱

生物形态学知识；力学性能；

纤维增强复合材料行为；层合板效应；材料失效

4.1.2草叶4.1.3角604.1.2草叶为什么干草易粉碎，新鲜的草韧性大植物也可看成复合材料4.1生物复合纤维实例与机理凤尾草叶61植物主要由存在于细胞壁的纤维素组成细胞依次排列成柱状——由此形成纤维→可归入纤维复合材料及胞状材料理论其中：厚壁组织束作为纤维相4.1.2草叶4.1生物复合纤维实例与机理62撕裂草叶，引入切口切口：导致应力集中——引发断裂对切口敏感的材料会因微小裂纹而削弱整体的强度对于切口不敏感的材料，可承受一定的损伤而不被显著削弱草叶的层片即属于此类材料4.1.2草叶4.1生物复合纤维实例与机理63此性能很重要：食草动物只能扯断咬住的部分——有利于植物的生存有利于食草动物的牙齿进化由于草叶纤维之间细胞的剪切模量较低→即使若干纤维发生断裂，传递到邻近纤维的应力集中也不足以引起其断裂4.1.2草叶4.1生物复合纤维实例与机理64草叶含水量减少时：刚度增加，但断裂功几乎不变当草叶含水量<17%时，纤维间细胞变得非常脆弱→趋向于以脆性断裂→适合于干草粉碎4.1.2草叶4.1生物复合纤维实例与机理654.1生物复合纤维实例与机理4.1.1蝗虫腱

生物形态学知识；力学性能；

纤维增强复合材料行为；层合板效应；材料失效

4.1.2草叶4.1.3角664.1生物复合纤维实例与机理4.1.3角为什么牛战斗之前将角插入水中674.1.3角角为纤维复合材料——可用复合材料理论对其进行计算对于完全干燥的角，假设基体和纤维的刚度是相等的，可以计算出纤维相的刚度的估计值4.1生物复合纤维实例与机理Ec=EfVf(z)+Em(1-Vf)如果应用Ker在研究蝗虫腱的方式：68干燥的角中：纤维相刚度估计值接近角蛋白纤维的实验值随着含水量的增加→基体剪切刚度下降→增加了应力传输长度纤维长度为40nm时新鲜和湿润的角的刚度计算值与实际较吻合但：实测长度为500~1000nm可用羊毛模型来解释694.1.3角4.1生物复合纤维实例与机理70羊毛：角蛋白原生纤维每隔15nm便存在5nm的非晶区，这些非晶区交错排列角：每隔40nm便存在非晶区吸收水分后，无序区域水化——影响纤维的完整性4.1.3角4.1生物复合纤维实例与机理71角的断裂特性类似于草：新鲜或潮湿的角对切口不敏感→有效的消除应力集中→更坚韧潮湿的角可以保护骨质角芯免受伤害→

含水量大则基体变软，刚度下降牛战斗前：将角浸入淤泥中，或在有露水的灌木中舞动→吸水使角坚韧→有利于战斗4.1.3角4.1生物复合纤维实例与机理724.1生物复合纤维实例与机理4.1.1蝗虫腱

生物形态学知识；力学性能；

纤维增强复合材料行为；层合板效应；材料失效

4.1.2草叶4.1.3角734.0材料的基本力学性能

生物复合纤维实例与机理4.2硬度与脆性

基体硬化4.4叠层复合——改善韧性

加入填充剂的生物复合纤维

胞状材料4.7

“材料”与“结构”的区别Chapter4：生物复合纤维744.2硬度与脆性增加材料的硬度将使应力从一部分向另一部分的传递更容易生物硬材料：抵抗外力而不发生延伸或流变容易引入微小的力学缺陷如：在骨或昆虫硬壳上的划痕可潜在的削弱材料引入裂纹75硬材料中缺陷易导致应力集中→导致脆性断裂如：玻璃切割4.2硬度与脆性避免材料脆性问题的途径：裂纹钝化

保护表面（层）免受伤害76若裂纹尖端钝化→应力可扩展到较多的键上

→增加韧性多见于高应变材料在复合材料中亦可4.2硬度与脆性复合材料中的裂纹钝化：77裂纹尖端存在垂直于裂纹扩展方向的剪切应力分量，约为打开裂纹应力的1/5此剪切分量在材料的薄弱区域（如纤维-基体界面）会使裂纹转向，垂直于主裂纹扩展路径→

使主裂纹尖端钝化此二次裂纹可吸收能量复合材料中的裂纹钝化：78避免脆性的另一途径：保护表面免受伤害在丝蛋白中：由覆盖于外的丝胶层构成昆虫表皮中：由包围几丁质纤维的蛋白质基质完成4.2硬度与脆性794.0材料的基本力学性能

生物复合纤维实例与机理

硬度与脆性

基体硬化4.4叠层复合——改善韧性

加入填充剂的生物复合纤维

胞状材料4.7

“材料”与“结构”的区别Chapter4：生物复合纤维804.3基体硬化昆虫表面的刚化蛋白质硬化蛋白质-几丁质硬化胶的硬化814.3基体硬化草的刚度由于水分的丧失而提高昆虫表面的刚化：交联

脱水82Pryor以蟑螂蛋壳（只含有蛋白质，无几丁质）为研究对象结论：二羟酚被分泌入表皮后，在表皮中被氧化成醌，而醌具有双重作用并使相邻蛋白质链交联交联蛋白质壳在粘腺中产生，即革化其革化只能是蛋白质的交联4.3基体硬化83脱水Fraenkel和Rudall以含有几丁质的表皮为研究对象结论：在Pryor假说基础上的发展，硝化处理（实际上是酚的硝化，即交联过程）后，表皮中最重要的变化是水分的损失，即基体脱水可以增大表皮的硬度酚的硝化（交联革化）和脱水可见：表皮同时发生两个过程：4.3基体硬化84蛋白质硬化：基体中的蛋白质交联硬化，不一定需要共价键

只有节肢弹性蛋白显示出共价键交联的表皮实验证明：利用橡胶弹性计算出的交联量与通过生物化学实验估计的值一致交联材料几乎无粘弹性节肢弹性蛋白的蛋白质具有低疏水性指数，这表明蛋白质链间无作用（即肽链之间无作用）→由此可计算共价交联本身对表皮刚度的贡献4.3基体硬化85对于大多数蛋白质的硬化：

酚型交联

蛋白质之间具有强的相互作用如果只有酚型交联而无其他方式相互作用的表皮——不能解释其消化后的刚度蛋白质硬化：4.3基体硬化86蛋白质之间的强烈作用导致表皮具有较高的刚度，且随着含水量的减少而加强蛋白质的高疏水作用有利于水分的散失表皮越硬，疏水性越强4.3基体硬化蛋白质硬化：87并非所有的表皮都具有高疏水性，其他表皮：有些幼虫表皮含水量高，而蛋白质链间无作用→

处于未革化状态有些表皮中脱水导致基体中晶型结构的产生→

基体变得与几丁质一样不溶基体硬化的因素很多，并未完全清楚4.3基体硬化88蛋白质-几丁质硬化：通过颜色（棕褐色最为典型）、硬度及是否存在酚来识别,通常与几丁质有关.如：腔肠动物Obelia颜色：棕褐色成分：由蛋白质-几丁质材料构成，在鞘的生长区大量分布的革化细胞内液泡中发现有酚的前驱（邻苯酚胺）、酚氧化酶和蛋白质薮（sou）枝虫4.3基体硬化89贻贝：双壳类的一种贝类“崎岖海岸居民”胶的硬化：4.3基体硬化黑玉断续膏可否成为现实？？医学：“超级胶水”9091特点：是一种蛋白质物质（胶粘蛋白），很坚固而又有韧性，固着的力量很大，能粘附船体、玻璃以及水井乃至聚四氟乙烯这类超强材料，无所不能粘。在水下可以硬化功能：固着在海底岩石或共他外物上生活。可脱落，可分泌新的足丝，重新固着。足丝4.3基体硬化92胶的硬化：贻贝的足丝状体产生的胶通过脱水固化，并产生酚型交联分析表明：粘结剂由十种氨基酸的重复序列或其子序列构成这使得它与大量不同基体发生各种不同类型的相互作用成为可能粘结剂内部通过酚型交联使硬度加大，并将水分排出，硬度进一步加大4.3基体硬化93生物医学应用：例如皮肤缝合和断骨连接（现实的“黑玉断续膏”）；医学装置研究表明：贻贝蛋白质中高浓度的名为DOPA的氨基酸与贻贝胶黏物的特殊黏性具有密切关系。DOPA特点：能够在有机体的表面形成共价键

氧化键如果在水中被破坏依然能够重新形成胶的硬化：贻贝胶的应用4.3基体硬化已被作为商业粘结剂→可用于潮湿的环境和生物敏感的环境如：固定牙冠94展望：DOPA在生物医学装置中非常有用。崭新课题：DOPA与陶瓷和金属的粘结。实现在金属植入物——包括前列腺支架、心脏瓣膜或其他装置——表面形成一个涂层，那么这种化合物将能够有效防止血细胞和蛋白质的聚积。不会导致血管堵塞。又由于它可以保护金属，可以使金属植入物寿命更长Kaleem指出：蛋白质具有高强度和粘结性能，是最具潜在使用价值的聚合物NeritesCorp胶的硬化：贻贝胶的应用4.3基体硬化95新型的壁虎贻贝胶(geckelglue)：

干湿表面都通用；能重复使用一千次以上。可望有许多医学上的应用，例如防水绷带、护创胶布、投药贴片，以及用来修复皮肤创伤，甚至做为干湿两用便利贴。

4.3基体硬化964.0材料的基本力学性能

生物复合纤维实例与机理

硬度与脆性

基体硬化4.4叠层复合——改善韧性

加入填充剂的生物复合纤维

胞状材料4.7

“材料”与“结构”的区别Chapter4：生物复合纤维974.4叠层复合——改善韧性昆虫表皮：层状材料，性能沿着厚度方向变化采用Mallory三色法区分：变为蓝色最外层：硬化层——外表皮中间层：中表皮内层：较软，未硬化——内表皮表皮不变色或变为琥珀色或红色98层状结构的特点：可存储能量如跳动甲虫的腿部表皮——能量存储于弯曲中如图，力学模型4.4叠层复合——改善韧性韧性：材料抵抗冲击的能力（KJ／m2）99梁的弯曲实际上是压缩革化表皮，而拉伸未革化表皮如果上层革化表皮E1>>下层未革化表皮E2，且厚度为3:1时，可以4.4叠层复合——改善韧性中性轴：既无拉伸，也无压缩的线。100ker证明：若E1与E2相差2，则此双层结构有利于存储能量——归因于中性轴的偏移给表皮提供了更大的变形内外表皮的双层结构可吸收和存储能量大大增加了表皮抵抗冲击载荷而不发生破裂的能力——改善韧性4.4叠层复合——改善韧性101——双悬臂梁试验实验结果表明：当粘结合适时，裂纹可同时在两层中传播韧性较小的层中，断裂受到抑制韧性较好的层中，断裂提前有能量通过粘结处从韧性较小的层向韧性较大的层传递Guild研究了层状结构的断裂韧性4.4叠层复合——改善韧性韧性：材料抵抗冲击的能力（KJ／m2）102纤维断裂裂纹扩展方向当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。4.4叠层复合——改善韧性103复合材料的断裂载荷（Xc）为两层断裂载荷（X1,X2）的几何平均：大于其算术平均值——1+1>24.4叠层复合——改善韧性此模型已经被实验所证实104若两层厚度不同（t1,t2），在不同的裂纹阻力下，则：各层断裂时的载荷：其中：4.4叠层复合——改善韧性模型计算105模型计算的理论假设各层为弹性体，符合胡克定律：F=aL其中a为弹性常数对于生物材料，只有在小应变条件下才可适用模型→内表皮的模量随应变而改变，因为几丁质纤维沿着应变方向取向4.4叠层复合——改善韧性模型计算106叠层复合材料：由多种片状材料叠合组成。4.4叠层复合——改善韧性应用若零件或构件在各个方向上的性能要求都很高，只采用一个方向纤维增强复合材料不能满足时，必须采用一种叠层结构，其中每一层的纤维都按照一定的方向铺设，称为叠层复合材料。107叠层复合材料：如双金属板，夹层玻璃，多层板等。4.4叠层复合——改善韧性应用1084.0材料的基本力学性能

生物复合纤维实例与机理

硬度与脆性

基体硬化4.4叠层复合——改善韧性

加入填充剂的生物复合纤维

胞状材料4.7

“材料”与“结构”的区别Chapter4：生物复合纤维1094.5加入填充剂的生物复合纤维软体动物的齿舌——与昆虫的表皮非常相似→带状革化蛋白质和几丁质生成牙齿铁和硅结合进入齿舌的牙齿，在生长过程中，牙齿变硬110硬度的测定：压痕法将四棱锥形标准尺寸的金刚石压入待测物，测量压痕对角线的长度即可给出硬度的量度测得的硬度与材料的剪切刚度、剪切强度、剪切变形相关粘弹性能也有影响——粘弹性越大，负荷移走后持续恢复时间越长→

硬度为一相对值4.5加入填充剂的生物复合纤维111Si和Fe在牙齿中的分布图4.5加入填充剂的生物复合纤维Si和Fe以颗粒状存在112硅石硬度：；赤铁矿硬度：这与牙齿中含Si和Fe部分的硬度差别很大且所测硬度不随Si和Fe的含量而变化因为:

Si和Fe以颗粒状存在(点)，而压痕为方形(面)，所测为复合材料(纤维/基体)的硬度复合材料中塑性行为由基体控制，内含的颗粒对基体的屈服行为有影响，但不是控制因素4.5加入填充剂的生物复合纤维113Zn、Mn也是与硬度相关的金属：几乎所有的食草昆虫，其颚的切削边都含有一种金属如：蝗虫——Fe蜘蛛、蝎——Zn、Mn、Fe

但同一部位不能同时含有两种金属4.5加入填充剂的生物复合纤维1144.0材料的基本力学性能

生物复合纤维实例与机理

硬度与脆性

基体硬化4.4叠层复合——改善韧性

加入填充剂的生物复合纤维4.6胞状材料4.7

“材料”与“结构”的区别Chapter4：生物复合纤维115人造结构材料往往追求高致密固体：钢、水泥、玻璃等。自然界却往往选用胞状材料作为大型生物或植物的构体（树木、骨骼、珊瑚等）。如：大恐龙有25架飞机那么大；红木树可高达100米，重达2500吨胞状材料同时具备最佳刚度、强度和重量。启发：人们在探索新材料时不妨模仿与大自然提供的材料具有一样的胞状结构的材料或许是最佳选择。4.6胞状材料1164.6胞状材料4.6.1木材4.6.2其它植物结构1174.6胞状材料植物、动物中很多为“皮-芯”或三明治结构外表层为较硬的拉伸膜内表层为非常轻且类似泡沫，由细胞构成如：骨、木材、真菌或多孔菌结构优势：由外膜承受大部分的应力，具有力学和生物学优点118细胞泡沫胶可看作众多小梁的集合当泡沫胶受压缩时：内部支柱和梁弯曲→发生变形应变较大时：柱子屈曲，发生塑料弯曲或断裂各部分靠紧，且相互作用模量增大密度增加4.6胞状材料119弹性段与屈服段的行为取决于泡沫胶材料是弹塑性还是脆性的（应力-应变曲线）但拉伸曲线相似研究较多的胞状材料为：骨、角蛋白胞状材料等羽毛：羽轴充满泡沫胶，使刚度增加了16%刺猬：刺中部为泡沫胶，使刺弹性屈曲而不断裂4.6胞状材料120相关仿生：金属泡沫或金属多孔材料是80年代后期国际上迅速发展起来的一种物理功能与结构一体化的新型工程材料。它所具备的多种优异物理性能特别是阻尼性能已引起广泛关注，并在消声、减震、分离工程、催化载体、屏蔽防护、吸能缓冲等一些高技术领域获得了广泛应用。4.6胞状材料90年代起，民用工业，尤其是建筑业已开始组织生产，目前日本已上市供应大块泡沫铝材。

1214.6.1木材胞状材料在植物中占有重要的地位，最典型的是木材木材比刚度≈钢木材比强度≈4×钢

（强度约为钢的1/4）而价格≈1/60×钢缺点：易腐烂122结构：木材由平行的柱状细胞构成细胞周围是螺旋形环绕的纤维素，且主要沿着一个方向植在木质素的基体中（木质素是一种复杂的聚合物树脂）拉伸时这些细胞可看作是植入基体的平行不连续纤维系统4.6.1木材123如：锡特卡云杉单个柱状细胞拉伸刚度Ef=12.5GPa,拉伸强度σf=170MPa,细胞体积分数Vf=80%则复合材料性能计算可得：Ec=Ef×Vf=10GPa,σc=σf×Vf=136MPa实测值：Ec测=10GPa,σc测=100MPa4.6.1木材124温度对韧性的影响：→温度降低，断裂功增加，韧性改