鹿茸礦化膠原纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)及仿生研究

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1、第47卷增刊1稀有金屬材料與工程Vol.47,Suppl.12018年7月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGJuly2018鹿茸礦化膠原纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)及仿生研究陳斌，李淼，聶書嚴(yán)，江智平（重慶大學(xué)，重慶400044）摘要：掃描電鏡觀察顯示鹿茸皮質(zhì)層是一種由礦化膠原纖維和膠原蛋白基體組成的層狀天然生物陶瓷復(fù)合材料。觀察也發(fā)現(xiàn)在鹿茸皮質(zhì)層中存在許多微孔洞，而起增強(qiáng)作用的羥基磷灰石纖維是迂回地環(huán)繞這些孔洞，構(gòu)成一種礦化膠原纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)?；谟^察的結(jié)果，建立纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)和纖維非迂回繞

2、孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料細(xì)觀分析模型，分析比較了纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)和纖維非迂回繞孔結(jié)構(gòu)的斷裂強(qiáng)度。結(jié)果表明，纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)的斷裂強(qiáng)度明顯大于纖維非迂回繞孔結(jié)構(gòu)的斷裂強(qiáng)度?；趯?shí)驗(yàn)和分析的結(jié)果，用碳纖維和環(huán)氧樹脂進(jìn)行了仿生纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備，并對(duì)得到的纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與纖維非迂回繞孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行了斷裂強(qiáng)度的比較測(cè)試。結(jié)果顯示，纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度明顯大于纖維非迂回繞孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：鹿茸；纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)；斷裂強(qiáng)度；模型分析；仿生制備中圖法分類號(hào)：TB332；TB39文獻(xiàn)標(biāo)

3、識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-185X(2018)S1-457-05鹿茸是長在鹿頭部上的硬骨性材料，是鹿攻擊和纖維-基體結(jié)構(gòu)使鹿茸皮質(zhì)層具有相當(dāng)高的強(qiáng)度、剛度[4-6]防衛(wèi)的武器。經(jīng)過若干世紀(jì)的選擇進(jìn)化，鹿茸具有高和斷裂韌性。由于鹿茸由比例較大的無機(jī)羥基磷灰[1-4]的強(qiáng)度、剛度、斷裂韌性及抗沖擊等優(yōu)良力學(xué)性能。石和比例較小的有機(jī)膠原質(zhì)復(fù)合而成，因此鹿茸可以[7,8]鹿茸優(yōu)良的力學(xué)性能與其內(nèi)部優(yōu)化的多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)視為一種纖維增強(qiáng)的天然陶瓷復(fù)合材料。密切相關(guān)。對(duì)鹿茸優(yōu)化的多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)與其優(yōu)良力近年來，許多研究者研究了

4、鹿茸的內(nèi)部微納米結(jié)學(xué)性能關(guān)系的研究，對(duì)發(fā)展具有優(yōu)良力學(xué)性能、特別構(gòu)及其宏細(xì)觀力學(xué)行為，取得了許多研究成果。郭彩[6]是優(yōu)良抗沖擊力學(xué)性能的人工合成復(fù)合材料具有重要玉等將梅花鹿的鹿茸從其端部到根部分為4段，在意義。進(jìn)行脫鈣和脫水處理后，在光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡下研究表明，鹿茸是一種由茸皮組織和茸骨組織組觀察了其茸皮組織和茸骨組織，發(fā)現(xiàn)其在不同的部位[1-3][7]成的天然生物復(fù)合材料。具有較高韌性的茸皮組織具有不同的組織學(xué)特征。Fei等在鹿茸斷裂面觀察包覆在鹿茸的表面，而位于鹿茸內(nèi)部的茸骨組織提供到大量礦化膠原纖維被拔

5、出，他們采用原子力顯微技了鹿茸主要的強(qiáng)度、剛度和韌性。鹿骨組織主要由有術(shù)，通過從膠原蛋白基體中拔出單根礦化膠原纖維，機(jī)膠原質(zhì)（I型膠原）和無機(jī)礦物相（碳酸羥基磷灰研究了礦化膠原纖維與基體之間納米界面的力學(xué)性[8]石）組成。研究已經(jīng)表明存在兩種形式的鹿骨組織：能。Currey等研究了鹿茸礦化膠原纖維組織對(duì)鹿茸一種是分布在鹿茸心部、組織結(jié)構(gòu)疏松的松質(zhì)骨組織，強(qiáng)度、斷裂、蠕變及硬度的影響，得到鹿茸彈性模量另一種是分布在鹿茸外部、組織結(jié)構(gòu)緊密的皮質(zhì)骨組和強(qiáng)度隨其礦物質(zhì)含量的增加而增加，而斷裂韌性隨[3,4][9]織。研究也

6、表明，鹿茸外部的皮質(zhì)骨中的礦物成分礦物質(zhì)含量的增加而降低的結(jié)論。Kitchener研究了含量明顯高于其松質(zhì)骨，且由于皮質(zhì)骨組織結(jié)構(gòu)更緊幾種典型鹿角,他發(fā)現(xiàn)梅花鹿和豚鹿鹿角的強(qiáng)度高于密，使得皮質(zhì)骨的強(qiáng)度和剛度明顯高于鹿茸心部的松低碳鋼，而鹿角特有的結(jié)構(gòu)形態(tài)使其能很好地抵抗變[10]質(zhì)骨，成為鹿茸的主要承載材料，而組織結(jié)構(gòu)疏松的形。Rajaram和Ramanathan的實(shí)驗(yàn)研究表明梅花鹿[4,5]-2松質(zhì)骨主要起吸收沖擊能量的作用。研究還表明，鹿茸的斷裂強(qiáng)度為188MPa，斷裂功為13.5kJ·m。在鹿茸皮質(zhì)骨中，定型

7、的納米尺度的無機(jī)礦物質(zhì)（主他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也觀察到鹿茸斷裂表面的骨單元分層，要為羥基磷灰石）與膠原蛋白緊密結(jié)合，組成礦化膠但在牛科動(dòng)物股骨的斷裂中，整個(gè)骨單元是被完整地[10]原纖維，它們埋設(shè)在無定型膠原蛋白基體中。這樣的拔出。收稿日期：2017-07-18基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（11272367）作者簡介：陳斌，男，1956年生，教授，博導(dǎo)，重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶400044，E-mail:bchen@cqu.edu.cn·458·稀有金屬材料與工程第47卷本實(shí)驗(yàn)以

8、中國東北梅花鹿鹿茸的皮質(zhì)骨為研究對(duì)象，利用掃描電鏡對(duì)其多尺度微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)其具有層狀結(jié)構(gòu)特征，也發(fā)現(xiàn)其中存在一種礦化膠原纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)。進(jìn)而通過建立纖維迂回繞孔結(jié)構(gòu)和纖維非迂回繞孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料細(xì)觀分析模型，比較分析了它們的斷裂強(qiáng)度，最后進(jìn)行了仿生制備和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。1觀察實(shí)驗(yàn)首先利用掃描電鏡在不同尺度下觀察鹿茸皮質(zhì)骨的微納米結(jié)構(gòu)。選用的鹿茸