珍珠母砖泥微结构的强度、裂纹演化与缺口敏感性

• 全文链接
• 请求原文

作   者：

燕翌;  冯西桥;  邓子辰; 

作者机构：

1.西北工业大学力学与土木建筑学院;  清华大学航天航空学院工程力学系;  西北工业大学力学与土木建筑学院; 

期刊名称：

医用生物力学

i s s n：

1004-7220

年卷期：

2024 年 39 卷 0S1 期

页   码：

195

摘   要：

目的 珍珠母以简单的砖泥交错排布微结构实现了较高的强度和韧性,其间蕴含着丰富的断裂现象和增强增韧机制,并吸引了材料力学学者的长期关注,也成为仿生复合材料的重要灵感来源。理解珍珠母宏观力学性能和断裂现象的跨尺度机制,不仅是力学基础研究的重要问题,也为高性能仿生复合材料的开发提供重要的理论支撑。方法 本文通过建立珍珠母微结构—宏观力学性质的多尺度理论和数值模型,分析了砖泥微结构特征对材料强度、断裂过程和缺口敏感性的影响。结果 首先,发展了一套多尺度桥联理论模型,构建了珍珠母砖泥微结构对材料宏观强度和韧性的定量联系,分析了无机晶片长宽比、界面刚度等重要参数对材料强度和韧性的影响。其次,基于经典的拉剪链模型和虚拟内键法,发展了一套拉剪链网络模型,模拟了珍珠母砖泥结构的裂纹萌生和演化过程。特别地,研究了微结构随机性对珍珠母宏观强度分布的影响,发现珍珠母砖泥结构可以抑制微结构随机性对材料的弱化作用。最后,基于拉剪链网络模型,研究了砖泥结构的缺口敏感性问题,发现随着缺口长度的减小,微结构断裂模式由断裂韧性主导转变为强度主导。结论 模拟阐明了材料在临界裂纹尺寸下的特异性断裂行为,并揭示了材料组分参数和微结构参数对珍珠母缺口敏感性的影响,提出了相应的标度律。本研究为生物材料缺陷容限性质提供了更系统定量化的力学机制支撑。