骨齿对龟甲骨质层中骨缝结构强度和韧性的影响

龟壳背甲的骨质板由多根独立的肋骨组成,内部的骨缝结构将独立的肋骨组成整体骨质板.基于单轴拉伸、弯曲实验和有限元分析,本文研究了骨缝结构中的骨齿对龟甲骨质板整体强度和韧性的影响.微观形貌观测实验实验表明,龟甲骨质板骨缝结构中的骨齿带有三棱锥和四棱锥的凹槽构型,与已有研究中假设的完美圆锥型结构有着显著差异.通过3D打印技术制备了带有三棱锥和四棱锥凹槽构型的骨缝结构仿生试件并进行了力学测试.结果表明,骨齿的齿峰-齿谷比值是影响骨缝结构整体强韧性的关键因素,而非假设的骨齿侧表面积和投影面积.对于给定形状的骨齿结构而言,齿峰-齿谷比值越大则骨质板的强度和韧性则越大.对龟壳背甲带骨缝的骨质板和相应的仿生试件进行了三点弯曲实验测试,结果同样表明骨齿的齿峰-齿谷比值是整体强韧性能的决定性参数.本文的结果对于缝结构材料的强韧化仿生设计具有指导意义.