论文摘要
利用仿生原理设计新材料和工程的结构是近年来研究的热点。南海丰富的海洋生物资源为结构仿生提供了无尽的素材。海胆可以生活在重浪的潮间带至几千米的海床,其壳体已经进化出优异的力学性能来承受静水压和浪冲击力。海胆壳作为一个轻质多孔的多板块组合壳,其独特的结构与其力学行为之间的关系对新型材料和工程的设计可能具有重大指导意义。本文以南海海域常见的紫海胆为主要研究对象,从无机骨骼分级结构角度将海胆壳从宏观到微观分为六级:整壳、步带、壳板、多孔体（stereom）、孔棱和晶片。采用数码相机、偏光显微镜、扫描电镜等表征仪器,以及图像分析和数学软件,将海胆壳各级结构几何特征数字化,为海胆壳结构模型的构建奠定基础。结合有限元法和仿生模拟实验对海胆壳结构及其力学行为的关系进行深度剖析。主要研究工作和结论如下:（1）通过逐步去除有机质的方法分析表皮-壳板、孔间有机质-stereom、骨内有机质IOM（Intrastereomic Organic Matrix）-晶片这三种不同尺度的有机-无机复合结构对壳板力学性能的影响。结果表明IOM在300℃热解后,壳板弯曲性能降低了 55%,而另外两种有机质结构的破坏对壳板弯曲强度影响不大。通过有限元计算IOM-晶片的组装体（孔棱）的最佳长径比和曲率,结果发现计算结果与海胆壳内表面孔棱的测量统计结果基本一致。棱壁曲率半径:棱长:棱径=2:2:1。（2）通过显微结构观察发现,由孔棱构成的stereom从壳外到壳内呈现GSR（Growth layer,Support layer,and Resorption layer）三层分布。将多孔三层结构转化为弹性模量三层分布模型后,采用力学模拟实验分析海胆壳在静水压、咬合力以及自重作用下的破坏行为,并采用有限元法研究GSR结构与其它层序结构的对海胆壳力学行为的影响。结果表明GSR结构海胆壳具有模型中最佳的综合力学行为来抵抗环境破坏力。（3）通过显微结构观察发现,由stereom构成的壳板间以及由壳板构成的步带间发现大量的矿物桥。通过力学实验和有限元法对海胆壳矿物桥的力学作用进行分析,结果表明矿物桥可以强化壳板的连接,且连接强度随矿物桥分布密度的增加呈幂函数提高。通过析晶控制法在氧化铝陶瓷的晶界中仿生制备出矿物桥,陶瓷的强度和韧性分别提高了 33.97%和33.52%。（4）通过有限元法和模拟实验研究管足孔位置对海胆壳力学行为的影响。结果表明海胆壳上部分位置管足孔的存在反而可以提高壳体在静水压和/或单向咬合力作用下的力学行为。本文不但为海胆壳结构仿生的材料和工程设计提供了理论依据,也为其他生物壳的结构分析提供了新的方法和思路。
论文目录
摘要abstract1 绪论 1.1 课题研究背景 1.1.1 课题的提出 1.1.2 课题的意义 1.2 海洋生物结构仿生的研究现状及发展趋势 1.2.1 海洋生物结构仿生的研究现状 1.2.2 海洋生物结构仿生的发展趋势 1.3 海洋生物矿化材料的研究现状 1.3.1 常见的几种海洋生物矿化材料 1.3.2 碳酸钙的物理化学性质 1.3.3 水生生物无机材料力学行为测试的评价方法 1.4 海胆结构 1.4.1 海胆分类 1.4.2 海胆生态学特征 1.4.3 海胆内部结构特征 1.4.4 海胆外部结构特征 1.4.5 海胆骨骼结构特征 1.4.6 海胆壳的国内外研究现状 1.5 有限元结构分析 1.5.1 有限元分析的介绍 1.5.2 有限元在仿生结构分析中的应用 1.6 本文主要研究内容2 海胆无机壳分级结构 2.1 生物无机矿物的分级结构 2.2 材料与方法 2.2.1 生物样品采集 2.2.2 材料与设备 2.2.3 实验内容 2.2.4 分析方法 2.3 海胆无机壳的各级结构对力学性能的贡献探讨 2.3.1 海胆六级结构——整壳 2.3.2 海胆五级结构——步带 2.3.3 海胆四级结构——壳板 2.3.4 海胆三级结构——网络 2.3.5 海胆二级结构——孔棱 2.3.6 海胆一级结构——晶片 2.4 本章小结3 海胆壳的多级有机-无机复合结构 3.1 海胆壳中的有机质概述 3.2 材料与方法 3.2.1 材料与设备 3.2.2 实验内容 3.2.3 分析方法 3.3 海胆壳中多级有机-无机复合材料的结果探讨 3.3.1 海胆壳多级有机-无机的空间构架 3.3.2 热处理温度对壳体的影响 3.3.3 多级有机质含量及其对海胆壳强度的影响 3.4 IOM-晶片复合材料的表征与建模分析 3.4.1 IOM-晶片复合材料的空间构架 3.4.2 IOM-晶片复合材料的有限元模型建立和分析 3.4.3 IOM-晶片整体几何结构的力学作用 3.5 本章小结4 海胆无机壳多孔多层结构 4.1 海胆壳孔结构的研究现状 4.2 材料与方法 4.2.1 材料与设备 4.2.2 试验内容 4.2.3 分析方法 4.3 海胆壳多孔多层结构与其力学行为影响的模拟 4.3.1 不同加载下海胆无机壳的破坏模式 4.3.2 多孔多层结构的表征 4.3.3 多孔多层结构模型的转化与建立 4.3.4 三层壳结构有限元模型的分析与讨论 4.3.5 三层壳模型的意义 4.4 仿海胆壳层状结构的三层陶瓷材料 4.4.1 多孔陶瓷骨架材料的选择 4.4.2 单层陶瓷材料力学性能与有限元分析 4.4.3 三层陶瓷材料力学性能与有限元分析 4.4.4 三层壳与三层试条力学计算值比较 4.5 本章小结5 海胆壳微观次级结构及其结构仿生制备 5.1 生物矿物桥研究现状 5.2 材料与方法 5.2.1 材料和设备 5.2.2 试验内容 5.2.3 分析方法 5.3 海胆壳板间矿物桥 5.3.1 壳板间矿物桥的生长及其对整壳力学性能的作用 5.3.2 壳板矿物桥建模和力学分析 5.4 常压烧结制备矿物桥仿生陶瓷材料 5.4.1 矿物桥结构仿生设计思路 5.4.2 矿物桥陶瓷配方优化 5.4.3 矿物桥陶瓷强韧化机制 5.5 热压烧结制备矿物桥仿生陶瓷材料 5.5.1 矿物桥对热压烧结陶瓷力学和烧结性能的影响 5.5.2 矿物桥陶瓷有限元模型建立与分析 5.6 本章小结6 宏观次级结构管足孔对海胆壳力学性能的影响 6.1 海洋生物宏观结构仿生简介 6.2 材料与方法 6.2.1 材料和设备 6.2.2 实验内容 6.2.3 分析方法 6.3 管足孔对海胆壳力学性能影响的有限元分析 6.3.1 含有管足孔的海胆壳模型建立 6.3.2 管足孔对海胆壳力学性能的影响有限元分析 6.3.3 管足孔对球状壳力学性能的影响有限元分析 6.4 管足孔对陶瓷海胆壳的力学性能的影响 6.4.1 注浆瓷泥的烧结温度确定 6.4.2 管足孔位置对陶瓷海胆壳抗压性能的影响 6.4.3 管足孔强化海胆壳力学性能的机制探讨 6.5 本章小结7 结论与展望参考文献缩略语表攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果致谢
文章来源
类型: 博士论文
作者: 余辉
导师: 李建保
关键词: 海胆壳,分级结构,力学行为,有限元法,结构仿生陶瓷,多孔多层材料,矿物桥
来源: 海南大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,医药卫生科技
专业: 生物学,材料科学,生物医学工程
单位: 海南大学
分类号: TB391;Q811
DOI: 10.27073/d.cnki.ghadu.2019.000002
总页数: 202
文件大小: 36294K
下载量: 157
相关论文文献
标签：海胆壳论文; 分级结构论文; 力学行为论文; 有限元法论文; 结构仿生陶瓷论文; 多孔多层材料论文; 矿物桥论文;
