胫骨的层状微结构研究

利用扫描电镜对胫骨的微结构进行观察,结果显示胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的生物层状陶瓷复合材料,其增强相羟基磷灰石在骨中占较大比例,并平行于骨的表面以层状的形式排列。观察也显示这些羟基磷灰石层又是由许多羟基磷灰石片所组成,这些羟基磷灰石片具有长而薄的形状,也以平行的方式整齐排列。基于在胫骨中观察到的羟基磷灰石片的微结构特征,通过微结构模型分析及实验,研究了这种微结构的最大拔出力。结果表明:羟基磷灰石片长而薄的形状以及层状排列方式增加了其最大拔出力,进而提高了骨的断裂韧性。

层状热障涂层孔隙微结构对其隔热性能影响的数值研究

基于四参数随机生长方法开发涂层微结构构造软件，构造层状涂层各向异性孔隙微结构，基于热阻网络方法开发涂层隔热性能分析软件，通过数值模拟分析不同孔隙大小、厚度和方向下层状涂层内部传热过程，得到层状涂层有效导热系数和稳态导热温度场。结果表明：提高涂层的孔隙率能有效地增强涂层隔热性能；孔隙率一定时，层状孔隙细小化会减弱涂层的隔热性能，但有利于稳态导热温度场的均匀分布，有利于涂层结构稳定；孔隙率一定时，层状孔隙细长化在一定程度上会增强涂层的隔热性能；孔隙率一定时，在0°～90°内，随着孔隙水平夹角的增大，涂层的隔热性能会有所减弱。且孔隙率越大，这种减弱趋势越明显。

计及相变微结构演化的形状记忆合金本构描述

基于对NiTi形状记忆合金的实验观察及有限元分析,考虑两相间的应变不协调关系,采用应变修正法建立了计及片层状微结构的本构模型,本模型考虑了两相间的相互约束,及其约束随微结构演化的变化规律.研究了NiTi形状记忆合金微圆管在拉伸和扭转下的响应特性.计算结果与实验结果的对比表明所建本构模型较好地描述了伪弹性响应尤其是较好地描述了拉伸实验过程中的应力跌落现象.

臼齿多级微结构增韧机理

作为一种天然生物陶瓷复合材料,臼齿具有多尺度微结构。它首先由羟基磷灰石层和胶原蛋白组成,进而羟基磷灰石层又是由羟基磷灰石片构成。并且相邻磷灰石层中的磷灰石片具有不同的方向,它们构成一种交叉微结构。建立臼齿层状及交叉两级微结构模型,考察了羟基磷灰石层状微结构的断裂能以及羟基磷灰石片交叉微结构的拔出力,结果表明羟基磷灰石的层状微结构增加了臼齿的断裂能,而羟基磷灰石片交叉微结构增加了磷灰石片的最大拔出力。分析结果被实验验证。臼齿通过其不同尺度上的优良微结构,使其获得优良的力学性质。

鸡喙微结构的韧性机理研究

指出了鸡喙是一种大自然中常见的复合材料,具有高强度、刚度以及断裂韧性等优越力学性能。鸡喙的优异力学性质密切相关于鸡喙内部的优良微结构。利用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)对鸡喙内部的微结构进行了观察,发现鸡喙由坚固的骨外壁和多孔的内部蜂窝结构组成,其大的断裂韧性等力学性能优点主要来自于坚固的骨外壁。对骨壁的观察显示其是一种主要由胶原蛋白和羟基磷灰石构成的复合材料。羟基磷灰石在鸡喙内部呈层状并以平行于外表面的方式排列。而这些羟基磷灰石层又是由无数的扁平羟基磷灰石片平行堆叠而成。基于扫描电镜观察到的结构,通过建立相似的片状堆叠模型并进行了力学行为分析,研究了鸡喙力学行为与羟基磷灰石片形态之间的关系。结果表明:羟基磷灰石扁平的形状和平行的排列结构对鸡喙的断裂韧性具有非常显著的增强效果。

考虑循环效应的镍钛合金超弹性细观本构模型

超弹性是形状记忆合金最主要的特性之一,本文假设其在相变过程中具有层状微结构,利用理想界面条件推导出相变发展过程的单晶本构关系,同时引入临界应力,累积残余应变和累积马氏体体积分数3个变量,利用临界应力,循环次数N构造相变驱动力随循环次数N变化的表达式。在每一次加载中相变驱动力作为一个材料参数控制正相变和逆相变的发生过程,联合累积马氏体体积分数和累积残余应变就得到考虑循环效应的单晶本构模型。利用Taylor假设推广到多晶模型。最后为证实本模型的可行性,进行了数值模拟,结果与实验结果吻合较好。