15-材料力学性能130107

复习三、多孔材料的力学性能多孔材料结构特点？有什么用处？力学性能的特点？四、非晶合金的力学性能结构特点?高硬、高强度，机理？有塑性吗？机理？五、纳米材料的力学性能纳米金属的超塑性反霍尔-佩奇关系？陶瓷纳米复合增韧六、生物材料的力学性能概述“天然生物材料”和”生物医用材料”天然生物材料：生物医用材料：假牙、人工髋关节、人工心脏(b)人工髋关节(c)心脏瓣膜(a)齿科植入材料牙、骨、贝壳、珍珠、蚕丝、蜘蛛丝蜘蛛丝放射状骨架丝(纵丝)；牵引丝(逃命)反时针织造圆形螺旋丝（横丝）上有粘珠：4%粘性物质+80%水捕获飞虫养只蜘蛛保护地球NASA科学家→巨大的太空蜘蛛蜘蛛丝的力学性能韧性是钢筋的6倍，断裂强度800MPa弹性是尼龙的2倍，拉伸10倍不断裂，支撑4千倍体重铅笔粗蜘蛛丝可拦截飞行的波音747客机优异的能量吸收如何得知？蜘蛛侠天然生物材料的力学性能 ←10亿经费蜘蛛丝的力学性能

YiLIU,ZhengzhongShaoandF.VollrathRelationshipsbetweensupercontractionandmechanicalpropertiesofspidersilk

naturematerials,VOL42005

断裂强度800-1400MPa优异的能量吸收为什么有如此性能？什么样的结构？为什么这种结构具有特殊的力学性能？如何获得这种结构？

半结晶超分子结构2003Nature捕获丝的超分子结构微观结构！养蜘蛛？人工制备？其他文献？结构

“叠层砖墙式复合”结构 超薄CaCO3(95%)+纳米厚度的有机物性能

硬度为CaCO3的2倍；韧性为其1000倍贝壳的力学性能

机理？类型晶体蛋白质基体(wt%)强度/MPa硬度MPa拉伸压缩弯曲棱柱方解石1%~4%60250140162珍珠层文石1%~4%130380220168交叉叠层文石0.01%~4%40250100250簇叶方解石0.1%~0.3%30150100110均匀分布文石/3025080/200nm+5nm0.5mm厚500μm=5×105nm200nm宽，厚度方向有2500块砖位移5nm，总位移12500nm=12.5μm变形量：12.5/500=2.5%1cm长10mm=1×104μm砖长2μm，砖数量：10000/2=5000块位移5nm，总位移=25μm变形量：25/10000=2.5%机理片层间相互滑移→断裂前能经受较大的塑性变形裂纹沿层片间的有机层扩展→阻止裂纹的穿透扩展开裂，片层之间摩擦力(拔出)→消耗裂纹扩展能量1.0μ1.0μ珍珠层裂纹扩展过程的原位观察FreezingasaPathtoBuildComplexComposites

SylvainDeville,EduardoSaiz,RaviK.Nalla,†AntoniP.TomsiaSCIENCE,VOL31127JANUARY2006如何制备？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---相变《水知道答案》田园交响曲离别曲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.如何制备出更好的？可开展更多研究砖的大小、厚度如何控制？粘结剂如何填充进去？力学性能的定量表达式？砖的形状海胆牙齿不钝之谜/world/2010-12/27/《美国化学学会杂志》美国威斯康星－麦迪逊大学负责人普帕·吉尔伯特教授海胆咀嚼石头建窝，牙齿不钝牙齿结构：方解石+纳米粘结剂牙齿变钝，有机材料脱落露出新的锋利方解石层“自我锋利”的刀具？医用材料的力学性能各种医用材料应用材料种类骨骼人工关节金属骨固定板牙齿修复钛铝钒合金，不锈钢，聚乙烯不锈钢，钴铬合金钛，氧化铝，磷酸钙心血管系统血管心脏瓣膜导管特氟隆，涤纶，聚氨酯不锈钢，碳材料，钛合金硅胶，特氟隆，聚氨酯器官人工心脏人工皮肤聚氨酯硅胶-胶原复合物Ti6Al4V生物医用材料的使用环境特点与活组织作用生物相容性生物医用材料特殊要求可吸收可降解生物医用材料的力学性能断裂（折断、疲劳）磨损应力腐蚀开裂？左脚应力性开裂力学性能检测结构分析骨的分析承重骨干轴向强度高牙的分析20MPa，3000次/天牙釉质：高硬度牙本质：韧性

表皮质骨的力学性能性能指标加载方向与骨干平行垂直拉伸强度/MPa124~17449~51压缩强度/MPa170~193133弯曲强度/MPa160弹性模量/GPa17.0~18.911.5剪切模量/GPa3.3KIC/MPa·m1/22~12表牙齿的力学性能牙本质牙釉质抗压强度/MPa300330硬度Hv70＞300生物材料的力学性能生物医用金属材料

表几种生物医用金属材料的力学性能密度g/cm3弹性模量GPa硬度Hv压缩强度MPa抗拉强度MPa延伸率%不锈钢F55退火态7.920018317046540F55冷加工7.920032069085012钴基合金铸CoCrMo退火态7.820030045566510锻CoCrMo退火态9.1523024039088030锻CoCrMo冷加工9.15230450100015009钛基合金Ti退火态4.512726044356315Ti6Al4V退火态4.41273308309008不锈钢、钴基和钛基合金高的机械强度和抗疲劳性能材料：Al2O3、ZrO2，羟基磷灰石等优点：生物相容性较好缺点：脆，因此常用在表面骨骼系统的修复和替换表几种生物医用陶瓷材料的力学性能密度g/cm3弹性模量GPa硬度Hv压缩强度MPa抗拉强度MPaAl2O3高纯态3.9338023005504500C低温各向同性态1.6~2.218~28150~250280~560/玻璃态1.4~1.624~31150~25070~210/超低温各向同性态1.5~2.214~21150~250350~700/ZrO2热等静压烧结态6.120013001200/生物医用陶瓷材料前述材料的复合，生物、力学等性能的优化人和动物体中绝大多数是复合材料

表几种生物医用复合材料的力学性能密度g/cm3弹性模量GPa压缩强度MPa抗弯强度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/碳纤维增强碳1.7140800800＞4环氧树脂12.5碳/14/200/连续碳纤维增强聚砜/110/