1、多級(jí)多級(jí)孔生物陶瓷的多尺度孔生物陶瓷的多尺度力學(xué)行為力學(xué)行為研究研究Researchofmultiscalemechanicsbehaviinhierarchicalpousbioceramics學(xué)科專(zhuān)業(yè)：固體力學(xué)研究生：戰(zhàn)楠指導(dǎo)教師：陳金龍教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院學(xué)院二零一零年六月摘要作為良好的骨替代材料多級(jí)孔羥基磷灰石生物陶瓷，在使用過(guò)程中承受復(fù)雜載荷，研究生物陶瓷支架材料的力學(xué)性能對(duì)提高其使用安全性，擴(kuò)大其使用范圍至關(guān)重要。在細(xì)觀

2、層次上，多孔生物陶瓷在不同尺度上呈現(xiàn)為不同量級(jí)的多級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)從生物學(xué)角度可以起到很好的功能放大作用，但其多級(jí)孔結(jié)構(gòu)在不同尺度上對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響。并且在制備過(guò)程中，由于工藝等原因易產(chǎn)生裂紋，裂紋與孔的相互作用也極大影響了材料的承載能力。因此，研究多級(jí)孔生物陶瓷有效模量及斷裂問(wèn)題具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文主要完成以下研究工作：1.在細(xì)觀層次上，基于均勻化理論將二尺度漸近展開(kāi)法與有限元法結(jié)合，詳細(xì)討論周期性邊界條件，宏觀應(yīng)變的

3、施加方法。通過(guò)計(jì)算纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的有效性能對(duì)本文的實(shí)施方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明結(jié)果有效性。2.對(duì)多孔生物陶瓷的多級(jí)孔細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，建立不同孔隙率及排布形式的細(xì)觀孔道代表體積單元，計(jì)算材料有效模量，總結(jié)相關(guān)規(guī)律，根據(jù)力學(xué)性能要求、孔隙率要求，評(píng)價(jià)和指導(dǎo)多孔生物陶瓷的多級(jí)孔細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.以斷裂力學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，根據(jù)擴(kuò)展有限元基本原理，選取最大主應(yīng)力和能量釋放率作為裂紋起裂和擴(kuò)展的準(zhǔn)則，以ABAQUS有限元軟件為平臺(tái)，對(duì)不同孔隙率含裂紋

4、多孔生物陶瓷進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)不同孔隙率下裂紋擴(kuò)展路徑，臨界載荷等?？紤]多孔生物陶瓷植入人體后與體液、骨細(xì)胞相互作用情況，研究孔內(nèi)壓對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑的影響。最后對(duì)增韌的多孔生物陶瓷進(jìn)行研究，結(jié)果表明斷裂韌性的增加對(duì)材料承載能力有顯著提高，對(duì)材料的增韌可以擴(kuò)大生物陶瓷的使用范圍。本文在兩個(gè)尺度上分別對(duì)多級(jí)孔生物陶瓷力學(xué)行為進(jìn)行研究，并建立了兩個(gè)尺度之間的聯(lián)系。通過(guò)本文的研究方法，可以更真實(shí)的模擬多級(jí)孔生物陶瓷不同尺度上的力學(xué)行為，進(jìn)而更好的對(duì)多