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第 31 卷 第 21 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.21 2015 年 11 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov. 2015 87 狗猪鹿牙齿的高耐磨特性对比 马云海 1,2,3，裴高院1,2，王虎彪1,2，马圣胜1,2，庄 健1,2，佟 金1,2 （1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022； 2. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130022； 3. 土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京 100083） 摘 要：为解决土壤工作部件磨损严重的问题，该文以狗牙、猪牙、鹿牙为研究对象，采用摩擦磨损试验机进行摩擦磨 损试验，考察了狗牙、猪牙、鹿牙的摩擦学性能，通过激光共聚焦扫描显微镜测量磨损深度，利用扫描电子显微镜观察 狗牙、猪牙、鹿牙的磨损形貌，利用纳米压痕仪分别对狗牙、猪牙、鹿牙进行力学性能试验，测试其纳米硬度和弹性模 量。试验表明：狗牙釉质磨斑表面磨屑剥落严重、附着大量的细小磨粒、有明显的龟裂现象，磨损体积为 1.91107 m3， 猪牙釉质磨斑表面主要是磨屑剥落，磨损体积为 1.56107 m3，鹿牙釉质磨斑表面也表现为磨屑剥落，磨损程度比猪牙齿 的轻，磨损体积为 1.39107 m3；牙齿的耐磨性与其硬度密切相关；鹿牙釉质的耐磨性、纳米硬度和弹性模量最大，狗牙 釉质的最小。该文以动物牙齿为仿生原型，为耐磨触土部件的研发提供新的参考方向和理论依据。 关键词：摩擦；微观结构；硬度；磨损；釉质 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.011 中图分类号：TB17 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-21-0087-06 马云海，裴高院，王虎彪，马圣胜，庄 健，佟 金. 狗猪鹿牙齿的高耐磨特性对比J. 农业工程学报，2015，31(21)： 8792. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.011 Ma Yunhai, Pei Gaoyuan, Wang Hubiao, Ma Shengsheng, Zhuang Jian, Tong Jin. Comparison of tribological properties of dog teeth, pig teeth and beer teethJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 87 92. (in Chinese with English abstract) doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.011 0 引 言 哺乳动物牙齿作为一种典型的天然生物材料，经过 长期的进化已经形成了具有优良力学性能的优化几何形 状，一直在工程仿生学领域占有重要的地位1-2。刘国林 等3-5根据啮齿类动物牙齿的齿面几何形状和生物力学具 有的优良性能，提出了以此来优化切削刀具的观点。 Joachim 等6-7对鲨鱼的牙齿釉质进行系统的研究， 主要从 牙釉质的微观结构、成分、力学性能 3 个方面进行分析， 揭示了鲨鱼牙齿具有良好机械性能的现象。力学性能是 判断牙齿功能好坏最直观的依据，对于牙齿的研究都不 能忽视其力学性能的分析8-11。 Simona12等对绵羊牙齿进 行压痕测试，测得绵羊牙釉质的杨氏模量和硬度分别比 人类牙釉质的低大约30%和9%， 牙本质的力学性能相近， 证明了几何结构（牙齿的半径、高度、釉质厚度）和力 学性能与反刍类动物的生活习性息息相关。本文主要以 狗（食肉）、猪（杂食）、鹿（食草）的臼齿作为研究 对象，对比研究了上述三者之间的微观结构和摩擦学特 性13-17，并探讨不同的食性对哺乳动物牙齿的影响。通 收稿日期：2015-06-25 修订日期：2015-08-31 基金项目：国家自然科学基金项目（51475205） ；吉林省科技发展计划项目 （20150519022JH，20130101043JC） ；土壤植物机器系统技术国家重点实验 室开放课题（2014-SKL-10） 作者简介：马云海，男，博士，教授，主要从事仿生材料及其摩擦学研究。 长春 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，130022。 Email：myh 过氮化硅陶瓷球与牙齿的对磨试验，考察牙齿表面的摩 擦磨损行为，用扫描电子显微镜观察牙齿表面的釉质层 的磨斑形貌，分析磨损机理，并利用纳米压痕仪进行力 学性能试验，测试它们的纳米硬度和弹性模量18-22，揭 示 3 种不同食性动物臼齿的耐磨性与纳米硬度和弹性模 量之间的关系，为以后动物牙齿的摩擦学特性的相关研 究提供基础试验数据和理论依据，并为设计具有高耐磨 性的新型农业触土部件提供参考。 1 试验部分 1.1 试验材料 试验材料：狗的臼齿（选用市售的 6 个月的肉食狗 （中原太行犬），猪的臼齿（选用长春市 1012 个月 的长白猪）；鹿的臼齿（选用长春市 1216 个月的家养 梅花鹿）。在制备试样之前，将所选牙齿放入盛有无水 乙醇的烧杯中，并用超声波清洗 10 min 取出，为防止牙 齿脱水，将其浸泡在 4的蒸馏水中保存。3 种牙齿各选 取 15 颗，将各种牙齿中的 5 颗纵剖为两半作为第组， 再将剩下牙齿自牙冠以下全部切除作为第组，然后将 两组牙齿放入特制的模具（长宽高=30 mm30 mm 20 mm）中，将第组试样的剖面、第组试样的剖面向 下置于液态树脂中，待树脂材料完全凝固硬化之后将其 取出，得到牙齿试样。在水冷却条件下，依次用 400#、 600#、800#、1500#、2000#的勇士牌砂纸打磨试样，得 到面积约为 3 mm2 mm 的试验面， 其中第组试样的试 验面距离牙尖 1 mm，第组试样的试验面距离牙齿颌面 农业工程学报（） 2015 年 88 最外一点 0.1 mm，并用研磨抛光机（Metaserv250， BUEHLER 公司，美国）进行抛光，使试验面的粗糙度 Ra 低于 0.2 m。组用于摩擦磨损试验，组用于力学 性能试验，其中组、组中各种牙齿各 10 个试样。摩 擦磨损试验中选取半径 R 为 3 mm 的 Si3N4 陶瓷球（机 械性能见表 1）作为对磨件，这种陶瓷球具有高强度、高 耐磨性、耐高温、耐腐蚀和良好的生物相容性，在进行 摩擦磨损试验时能够避免对其自身的影响。 表 1 陶瓷球 Si3N4 的机械性能 Table 1 Mechanical properties of Si3N4 ceramic balls 屈服强度 Yield strength/MPa 抗拉强度 Tensile strength/MPa 洛氏硬度 Rockwell hardness 弹性模量 Elastic modulus/GPa 1 600 2 000 65 300 1.2 试验方法 在美国CETR公司生产的UMT摩擦磨损试验机上进 行试验，参数如下：温度 T1 为常温，法向载荷 Fn1为 20 N，额定频率 f 为 2 Hz，往返行程 D 为 2 mm，循环次数 N 为 5000 次，采用往返模式。通过激光共聚焦扫描显微 镜（CLSM，OLS3000，OLYMPUS 公司，日本）测量经 过摩擦磨损试验后的试样的磨损深度，然后用扫描电子 显微镜（SEM，EVO-18，ZEISS 公司，德国）观察磨斑 形貌，分析磨损机理。在美国 HYSITRON 公司生产的 Triboindenter Plus 纳米压痕仪上进行力学性能试验，查阅 相关文献23-29确定参数如下：温度 T2 为常温，法向最大 载荷 Fn2为 1 000 N，加载速度 200 N/s，保压时间 5 s， 卸载速率 200 N/s，采用准静态恒载荷模式，压痕间距 L 为 225 m。如图 1 所示，A、B、C、D、E 为 5 个基准点， 在每个点两边分别打 3 个等距点进行压痕试验，取这 6 个 点测试结果的平均值作为各基准点的测试值。 注：A、B、C、D、E 为 5 个基准点。 Note: A，B，C，D and E are 5 datum marks. 图 1 试验点分布图 Fig.1 Test point distribution diagram 2 结果与分析 2.1 摩擦行为 由图2 中臼齿与Si3N4陶瓷球对磨时摩擦因数随时间 变化的曲线可知，在试验初期，狗臼齿的摩擦因数从初 始的 0.080 快速增大到 0.320，历时约 103 s，又经过 89 s 对磨实验增大至 0.416， 接着摩擦因数缓慢减小， 在 691 s 时减小至 0.335，最后摩擦因数变得相对稳定直至试验结 束。 猪臼齿的摩擦因数从初始值 0.083 经过 77 s 缓慢地增 大至 0.100，然后摩擦因数经过 34 s 快速增大到 0.160， 接着在 111760 s 这段时间内，摩擦因数缓慢增加到 0.237，在这期间摩擦因数有小范围的减小，但总体趋势 是缓慢增大的，最后摩擦因数达到稳定状态。在摩擦初 始阶段，鹿臼齿在 18s 内摩擦因数从 0.096 快速增至 0.160，在接下来的 486s 时间内，摩擦因数缓慢地增大至 0.288，在这期间摩擦因数的增长率逐渐变大，之后经过 138 s 摩擦因数迅速增至 0.416，最后缓慢地增至 0.512， 并在这一数据上下波动直到试验结束，但在最终稳定阶 段，有些地方的摩擦因数出现突然急剧波动的现象，可 能是由于鹿臼齿釉质有些细小的缺陷导致的。综上所述， 猪臼齿釉质和鹿臼齿釉质的摩擦因数变化趋势主要分为 3 个阶段： 摩擦因数较小阶段， 发生在摩擦试验的初期； 一段时间之后，进入摩擦因数迅速增大阶段；随着 试验的进行，摩擦因数最后进入稳定阶段。狗臼齿釉质 的摩擦因数变化趋势与猪牙釉质和鹿牙釉质的有很大差 异，但也分为 3 个阶段：在摩擦接触的初期摩擦因数 迅速增大；经过一段时间摩擦因数逐渐减小；随着 摩擦的持续，摩擦因数进入稳定阶段。 图 2 牙齿试样摩擦因数随时间的变化关系 Fig.2 Relationship of friction coefficient and time of teeth samples 出现上述情况，主要是由于经过打磨抛光的臼齿釉 质表面粗糙度很小（Ra 低于 0.2 m），故在摩擦初期猪、 鹿的牙釉质摩擦因数较低，而狗的臼齿釉质摩擦因数不 经过猪和鹿的臼齿釉质摩擦因数变化的第一阶段就直接 进入快速增长的阶段，可能是由于狗臼齿釉质脆性大、 硬度和耐磨性低的缘故，致使釉质表层材料更易剥落和 磨损，产生粗糙表面，导致摩擦因数快速增大。经过一 段时间，随着摩擦往返次数的增加，猪、鹿牙釉质表面 产生的疲劳破坏和裂纹迅速扩大，致使釉质材料发生剥 落，材料表面变得粗糙，此时牙釉质的摩擦因数进入迅 速增大阶段。但猪和鹿的臼齿釉质的摩擦因数进入迅速 增大阶段前所经过的时间是不同的， 分别历时 77 和 504 s。 由此可见，鹿臼齿釉质表面材料的脆性剥落要比猪臼齿 釉质的晚，这可能是受鹿臼齿釉质矿化程度和晶体致密 度比猪臼齿釉质高的影响。随着试验的继续，从猪和鹿 第 21 期 马云海等：狗猪鹿牙齿的高耐磨特性对比 89 的臼齿釉质表面剥落下来的片状釉质受到Si3N4陶瓷球的 反复挤压而变成更加细小釉质颗粒，而这些细小的釉质 颗粒反过来则起到了润滑作用，促使牙釉质的磨损进入 稳定阶段。狗臼齿釉质经过一段时间的磨损产生大量剥 落的磨屑，磨屑在陶瓷球和臼齿釉质间被进一步研磨成 细小的釉质颗粒，这些釉质颗粒同样起到润滑作用，使 得臼齿釉质与 Si3N4陶瓷球间的磨损减轻，摩擦因数缓慢 减小，并最终进入稳定状态。 2.2 磨损行为 图 3a 示出了组狗牙试样磨损的表面形貌扫描电子 显微镜（scanning electron microscopy，SEM）照片。由 图可知，狗臼齿的磨损表面有两处比较明显的特征：一 处是疲劳磨损造成的磨屑剥落并伴有龟裂现象；另一处 是磨粒磨损，磨损表面附着大量的细小磨粒，同样伴有 更加明显的龟裂现象。图 3b 示出了组猪牙试样磨损的 表面形貌 SEM 照片。由图可知，猪臼齿的磨损程度比狗 臼齿轻，猪臼齿主要是疲劳磨损造成磨屑剥落。图 3c 示 出了组鹿牙试样磨损的表面形貌 SEM 照片。鹿臼齿 的磨损程度和猪臼齿相差不大，并且磨损形式也相同， 只是剥落的磨屑较小和程度较轻。 a. 狗牙釉质 a. Dog enamel b. 猪牙釉质 b. Pig enamel c. 鹿牙釉质 c. Deer enamel 图 3 牙齿试样磨损表面形貌扫描电子显微镜照片 Fig.3 SEM micrographs of teeth sample worn surface 由于牙釉质是脆性材料，在法向施加的载荷作用下， 与 Si3N4陶瓷球不断地挤压、摩擦，使得牙釉质表面产生 了与球相适应的“凹坑”。在其他条件相同的情况下， 本文把试验之后产生的“凹坑”深度和经计算得到的磨 损体积作为衡量三种哺乳动物牙齿磨损体积大小和耐磨 性好坏的标准。表 2 列出了组牙齿试样的最大磨损深 度和磨损体积。可以看出，狗臼齿釉质的磨损深度、磨 损体积最大，猪臼齿釉质的磨损深度、磨损体积居中， 鹿臼齿的磨损深度、磨损体积最小。这说明鹿臼齿的磨 损体积最小、耐磨性最好，狗臼齿的磨损体积最大、耐 磨性最差最差。这可能与三种哺乳动物臼齿的形态结构 以及长期以来形成的进食习惯有关。狗的前后两个臼齿 齿尖较高而尖锐，呈剪刀状，咬合时可以很好地扯断肌 肉组织，嚼碎骨头，很少进行研磨食物，对耐磨性要求 不是很大；猪的臼齿表面积较大，并有高低不平的瘤状 突起，这可以快速地磨碎食物，耐磨性要求比狗臼齿的 高。鹿的臼齿齿冠大都紧密地连接在一起，这样可以增 大咀嚼面积，而鹿是食草动物，草中含有大量的纤维素， 需要臼齿不断地研磨食物，因此要求臼齿必须有更高的 耐磨性。 表 2 组牙齿试样的磨损深度 Table 2 Tooth wear depth of sample group 试样 Sample 磨损深度 Wear depth/m 磨损体积 Wear volume/107 m3 狗牙釉质 Dog enamel 20.451.34 1.910.19 猪牙釉质 Pig enamel 17.981.26 1.560.17 鹿牙釉质 Beer enamel 16.541.07 1.390.13 2.3 力学性能 图 4 和图 5 分别示出了组牙齿试样的纳米硬度和 弹性模量在不同位置的变化曲线。由图可知，3 种牙齿的 纳米硬度和弹性模量具有相同的变化规律，说明纳米硬 度和弹性模量随测试点与牙尖外缘的距离的增大而减 小。当距离相同时，鹿臼齿釉质的纳米硬度和弹性模量 最大，狗臼齿釉质的最小。根据 Cuy JL 等29利用纳米压 痕仪对人牙釉质层整体的纳米力学性能分布进行的系统 研究，发现釉质表层釉柱呈放射状平行紧密排列，而越 往里靠近釉质牙本质界，釉柱变得弯曲交叉。因此，只有 釉质表层具有较高的纳米硬度和弹性模量，才能更好地完 成咀嚼食物的任务，随着测量点与牙齿外缘距离的增大， 纳米硬度和弹性模量明显下降，但是以弯曲交叉方式排列 的釉柱则具有了更好的韧性和抵抗裂纹的能力。分别求每 种牙颌面上5 个基准点纳米硬度、 弹性模量之和的平均值， 得出狗臼齿釉质纳米硬度和弹性模量分别为 406.8 和 83.5 GPa；猪臼齿釉质纳米硬度和弹性模量分别为 424.0 和 84.52 GPa；鹿臼齿釉质纳米硬度和弹性模量分别为 451.6 和 86.08 GPa。通过对比图 3 发现硬度越大磨屑剥落 越少，磨损体积越小；弹性模量越大裂纹越少，磨损体积 越小。此结果还验证了鹿臼齿耐磨性最好，狗臼齿耐磨性 最差的观点。通过独立方差 t 检验，说明鹿牙釉质的力学 性能比狗牙釉质和猪牙釉质的好（P0.05）。 农业工程学报（） 2015 年 90 图 4 牙齿试样纳米硬度随距离的变化关系 Fig.4 Relationships of nano-hardness of teeth samples and distance between measurement point and outer edge of cusp 图 5 牙齿试样弹性模量随距离的变化关系 Fig.5 Relationships of elasticity modulus of teeth samples and distance between measurement point and outer edge of cusp 3 结 论 1）狗臼齿釉质磨斑表面磨屑剥落严重并附着大量的 细小磨粒，出现明显的龟裂现象，并伴有犁沟产生，磨 损体积约为 1.91107 m3； 猪臼齿釉质的磨损程度比狗牙 釉质的轻，主要是疲劳磨损造成的大块磨屑剥落，擦伤 严重，磨损体积比狗牙釉质的小，约为 1.56107 m3；鹿 臼齿釉质的磨损形式与猪牙釉质的相同，但剥落的磨屑 较小，磨损程度较轻，磨损体积为 1.39107 m3。 2）牙齿的摩擦磨损性能与其硬度和弹性模量密切相 关。硬度越大牙釉质耐磨性越好，磨屑剥落越少，牙釉 质磨损程度越小；弹性模量越大牙釉质裂纹越少，磨损 体积越小。 3）与狗臼齿和猪臼齿对比，鹿臼齿在耐磨性和力学 性能 2 个方面都具有良好的特性，能够初步论证食草动 物臼齿的耐磨性优于肉食动物和杂食动物。 参 考 文 献 1 马云海，马圣胜，高知辉，等. 獾牙与狗牙的微观结构及 摩擦学特性J. 农业工程学报，2014，30(16)：4146. Ma Yunhai, Ma Shengsheng, Gao Zhihui, et al. Micro- structure and tribological properties of badger teeth and dog teethJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 4146. (in Chinese with English abstract) 2 黄炎，吕晓迎，陈亚明，等. 三种哺乳动物牙釉质超微结 构与硬度关系的初步研究J. 中国生物医学工程学报， 2004，23(3)：265269. Huang Yan, L Xiaoying, Chen Yaming, et al. Preliminary study of the relation between super-microstructure and hardness of tooth enamel surface of three kinds of mammalsJ. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2004, 23(3): 265269. (in Chinese with English abstract) 3 刘国林，谢峰. 基于仿生学的切削工具研究J. 机械研究 与应用，2010，44(14)：36. Liu Guolin，Xie Feng. Research of bionics cutting tools J. Mechanical Research 2. Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130022, China; 3. State Key Laboratory of Soil-Plant-Machinery System Technology, Beijing 100083, China) Abstract: As a kind of typical natural biological material, mammalian teeth have formed the optimized geometry with excellent mechanical properties after a long period of evolution, and have occupies an important position in the field of engineering bionics. Biological tribology is a new cross subject, which involves extensively, such as medicine, materials science, biology, tribology, mechanics, and is mainly divided into 2 categories i.e. human biological tribology and bionic tribology. Teeth tribology is a branch of biological tribology. The study object of modern tooth tribology is divided into 2 major categories i.e. human and animal. The research of human tooth friction is mainly concentrated in the medical field. The main purpose of the research is to master the mechanism of the friction and wear, minimize the irreversible damage of the tooth in the occlusion process and service human oral health. The research and application of animal tooth friction is mainly in engineering field, and a series of studies have been carried out in recent years. Studies on mechanical properties of the mammalian teeth mainly use nano-mechanics test and Vickers hardness test. Taking the teeth of dogs, pigs and deer as the research objects, the friction and wear behavior of the 3 different animal teeth was investigated systematically in this paper. The wear resistance of the 3 teeth surfaces was estimated by a wear tester and a roughness tester. The structure of different worn surfaces was characterized by the scanning electron microscopy (SEM), and the mechanical properties such as hardness and elastic modulus were also evaluated by using a nano-test apparatus. Hardness is the ability of material to resist the pressure of hard objects onto its surface, which is the inherent property of the material, and the tribology properties of materials depend on its hardness to a certain extent. Research results showed that wear debris peeling off from the surface of dog enamel was serious. The surface was attached with a lot of fine abrasive particles and had obvious cracking phenomenon. The wear volume was 1.91107 m3. The surface of pig enamel showed mainly wear debris peeling, and the wear volume was 1.56107 m3. Compared with the pig teeth, the worn surface of the deer teeth enamel also showed wear debris peeling, but the wear degree was lo