多级孔生物陶瓷的多尺度力学行为研究

摘要

作为良好的骨替代材料多级孔羟基磷灰石生物陶瓷，在使用过程中承受复杂载荷，研究生物陶瓷支架材料的力学性能对提高其使用安全性，扩大其使用范围至关重要。在细观层次上，多孔生物陶瓷在不同尺度上呈现为不同量级的多级多孔结构，该结构从生物学角度可以起到很好的功能放大作用，但其多级孔结构在不同尺度上对材料力学性能产生影响。并且在制备过程中，由于工艺等原因易产生裂纹，裂纹与孔的相互作用也极大影响了材料的承载能力。因此，研究多级孔生物陶瓷有效模量及断裂问题具有理论意义和应用价值。本文主要完成以下研究工作：
　　1.在细观层次上，基于均匀化理论将二尺度渐近展开法与有限元法结合，详细讨论周期性边界条件，宏观应变的施加方法。通过计算纤维增强复合材料的有效性能对本文的实施方法进行验证，证明结果有效性。
　　2.对多孔生物陶瓷的多级孔细观结构进行研究，建立不同孔隙率及排布形式的细观孔道代表体积单元，计算材料有效模量，总结相关规律，根据力学性能要求、孔隙率要求，评价和指导多孔生物陶瓷的多级孔细观结构设计。
　　3.以断裂力学基本理论为基础，根据扩展有限元基本原理，选取最大主应力和能量释放率作为裂纹起裂和扩展的准则，以ABAQUS有限元软件为平台，对不同孔隙率含裂纹多孔生物陶瓷进行研究，预测不同孔隙率下裂纹扩展路径，临界载荷等。考虑多孔生物陶瓷植入人体后与体液、骨细胞相互作用情况，研究孔内压对裂纹扩展路径的影响。最后对增韧的多孔生物陶瓷进行研究，结果表明断裂韧性的增加对材料承载能力有显著提高，对材料的增韧可以扩大生物陶瓷的使用范围。
　　本文在两个尺度上分别对多级孔生物陶瓷力学行为进行研究，并建立了两个尺度之间的联系。通过本文的研究方法，可以更真实的模拟多级孔生物陶瓷不同尺度上的力学行为，进而更好的对多级孔生物陶瓷整体结构进行设计。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2细观力学均匀化方法研究与应用现状

1.3扩展有限元方法的研究现状

1.4本文的主要研究内容

第二章 多级孔生物陶瓷细观力学多尺度模型分析

2.1多级孔生物陶瓷的细观结构分析

2.2二尺度渐近展开法

2.3多级孔生物陶瓷代表体积单元模型建立

2.4本章小结

第三章 细观力学均匀化法在多级孔生物陶瓷中的应用研究

3.1细观力学均匀化方法有限元实现

3.2均匀化方法对复合材料数值验证

3.3多级孔生物陶瓷细观力学数值研究

3.4本章小结

第四章 扩展有限元在多级孔陶瓷裂纹扩展中的应用研究

4.1扩展有限元的实施方法

4.2含裂纹的多级孔生物陶瓷裂纹扩展行为研究

4.3不同孔隙率下孔压及断裂韧性对多级孔生物陶瓷裂纹扩展影响

4.4断裂韧性对多级孔生物陶瓷力学性能影响研究

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢