复习
三、多孔材料的力学性能
多孔材料结构特点？ 有什么用处？ 力学性能的特点？
四、非晶合金的力学性能
结构特点? 高硬、高强度，机理？ 有塑性吗？机理？
五、纳米料的力学性能
纳米金属的超塑性 反霍尔-佩奇关系？ 陶瓷纳米复合增韧
六、生物材料的力学性能
概述 “天然生物材料”和”生物医用材料”
Sylvain Deville, Eduardo Saiz, Ravi K. Nalla,† Antoni P. Tomsia SCIENCE, VOL 311 27 JANUARY 2006
Fig. 1. Processing principles and materials
While the ceramic slurry is freezing, the growing ice crystals expel the ceramic particles, creating a lamellar microstructure oriented in a direction parallel to the movement of the freezing front (A). Dense composites are obtained by infiltrating the porous lamellar ceramic with a second phase (e.g., a polymer or a liquid metal).
密度 g/cm3
/ 2.6 2.4 1.7
/ / 0.98
弹性模量 GPa 5.52 100 80~90 140 14 110 1.94②
压缩强度 MPa / 1000
250~370 800 / / 14.2
抗弯强度 MPa 38① 220
220~360 800 200 1600 22①
最小延伸率 % 0.7 ＜1 / ＞4 / 1.3 150
其他力学性能
耐久性（寿命。疲劳、磨损）
人造导管：人体血管内工作3天以上 金属骨钉：6个月以上 心脏瓣膜：每分钟弹跳约60次，寿命不低于10年 髋关节：10年以上
新材料及其力学性能？
人造肌肉、血管等？强度？延伸率？ 超高分子量聚乙烯髋臼杯 形状记忆合金及其力学性能特点？ 钴基合金的耐磨性？ 医用镁合金的力学性能---能达到要求吗？
表 皮质骨的力学性能
性能指标
拉伸强度/MPa 压缩强度/MPa 弯曲强度/MPa 弹性模量/GPa 剪切模量/GPa KIC/MPa·m1/2
加载方向与骨干
平行
垂直
124~174
49~51
170~193
133
160
17.0~18.9
11.5
3.3
2~12
表 牙齿的力学性能
抗压强度/MPa 硬度Hv
牙本质 300 70
为什么有如此性能？
什么样的结构？ 为什么这种结构具有特殊的力学性能？ 如何获得这种结构？养蜘蛛？人工制备？
半结晶超分子结构
其他文献？ 捕获丝的超分子结构
2003 Nature
贝壳的力学性能
结构
“叠层砖墙式复合”结构
200nm
超薄CaCO3(95%)+纳米厚度的有机物 +5nm
性能
硬度为CaCO3的2倍；韧性为其1000倍
延伸率 % 40 12 10 30 9 15 8
生物医用陶瓷材料
材料：Al2O3、ZrO2，羟基磷灰石等 优点：生物相容性较好 缺点：脆，因此常用在表面 骨骼系统的修复和替换
表 几种生物医用陶瓷材料的力学性能
Al2O3高纯态 低温各向同性态
C 玻璃态
超低温各向同性态
ZrO2热等静压烧结态
天然生物材料：牙、骨、贝壳、珍珠、蚕丝、蜘蛛丝 生物医用材料：假牙、人工髋关节、人工心脏
(a)齿科植入材料 (b)人工髋关节
(c)心脏瓣膜
天然生物材料的力学性能
蜘蛛丝
放射状骨架丝(纵丝)；牵引丝(逃命) 反时针织造圆形螺旋丝（横丝） 上有粘珠：4%粘性物质+80%水 捕获飞虫
养只蜘蛛保护地球
密度 g/cm3 3.93 1.6~2.2 1.4~1.6 1.5~2.2
6.1
弹性模量 GPa 380 18~28 24~31 14~21 200
硬度 Hv 2300 150~250 150~250 150~250 1300
压缩强度 MPa 550
280~560 70~210 350~700
1200
机理
片层间相互滑移 → 断裂前能经受较大的塑性变形 裂纹沿层片间的有机层扩展 → 阻止裂纹的穿透扩展 开裂，片层之间摩擦力(拔出) → 消耗裂纹扩展能量
1.0μ
1.0μ
珍珠层裂纹扩展过程的原位观察
如何制备？
Freezing as a Path to Build Complex Composites
Natural nacre has a brick-mortar-bridges microstructure: B, C, D. E, F: the alumina–Al-Si composite
水的凝固---相变
《水知道答案》
田园交响曲 离别曲
Fig. 3. Mechanical response of natural and synthetic IT composites.
←10亿经费
NASA科学家→巨大的太空蜘蛛
蜘蛛丝的力学性能
韧性是钢筋的6倍，断裂强度800MPa 弹性是尼龙的2倍，拉伸10倍不断裂， 支撑4千倍体重 铅笔粗蜘蛛丝可拦截飞行的波音747客机 优异的能量吸收 如何得知？
蜘蛛侠
蜘蛛丝的力学性能
断裂强度800-1400MPa 优异的能量吸收
类型
晶体
棱柱 方解石
珍珠层 文石 交叉叠层 文石
簇叶 方解石 均匀分布 文石
蛋白质基体 (wt%)
1%~4%
1%~4% 0.01%~4% 0.1%~0.3%
/
强度 / MPa 拉伸 压缩 弯曲 60 250 140
130 380 220 40 250 100 30 150 100 30 250 80
硬度 MPa
162
168 250 110
/
机理？
0.5mm厚
500μm=5×105nm 200nm宽，厚度方向有2500块砖 位移5nm，总位移12500nm=12.5μm 变形量：12.5/500=2.5%
1cm长
10mm=1×104 μm 砖长2μm，砖数量：10000/2=5000块 位移5nm，总位移=25μm 变形量：25/10000=2.5%
牙釉质 330 ＞300
生物医用金属材料
不锈钢、钴基和钛基合金 高的机械强度和抗疲劳性能
表 几种生物医用金属材料的力学性能
不锈 钢
钴基 合金
钛基 合金
F55退火态 F55冷加工 铸CoCrMo退火态 锻CoCrMo退火态 锻CoCrMo冷加工 Ti退火态 Ti6Al4V退火态
密度 g/cm3
抗拉强度 MPa 4500 / / / /
生物医用复合材料（高分子材料）
前述材料的复合，生物、力学等性能的优化 人和动物体中绝大多数是复合材料
表 几种生物医用复合材料的力学性能
聚甲基丙烯酸甲酯 C60SiC C60SiC (5%孔隙率) 碳纤维增强碳 环氧树脂12.5碳 连续碳纤维增强聚砜 超高分子聚乙烯
The three-points bending load-displacement data for IT HAP-epoxy composites (A) was qualitatively very similar to that of nacre (C) SEM of the IT composites (B) and nacre (C) reveal similar features on the fracture surface. Extensive crack deflection at the organic-inorganic interface results in tortuous crack paths and contributes to the toughening in both cases (D). The role of the interfacial chemistry in the bonding between layers and the final mechanical properties of the material is illustrated in the data (E) for alumina–Al-Si composites (45/55 vol %); the addition of 0.5 wt % titanium to the aluminum alloy significantly increases the strength and toughness of the materials.
“自我锋利”的刀具？
医用材料的力学性能
各种医用材料
Ti6Al4V
骨骼 心血管系统 器官
应用 人工关节 金属骨固定板 牙齿修复 血管 心脏瓣膜 导管 人工心脏 人工皮肤
材料种类 钛铝钒合金，不锈钢，聚乙烯 不锈钢，钴铬合金 钛，氧化铝，磷酸钙 特氟隆，涤纶，聚氨酯 不锈钢，碳材料，钛合金 硅胶，特氟隆，聚氨酯 聚氨酯 硅胶-胶原复合物
Yi LIU, Zhengzhong Shao and F. Vollrath Relationships between supercontraction and mechanical properties of spider silk nature materials, VOL 4 2005