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牛蹄壁生物角质材料及其仿生制备研究 摘要：角蛋白材料是自然界中强度与韧性最好的生物材料之一，其中牛、马科等动物的蹄与角是其中的佼佼者。结合生物材料科学的观点，通过研究牛蹄壁角质生物材料不同状态下的综合力学性能以及其在抵抗裂纹扩展过程中展现的结构变化，可以深入理解其结构特征和功能特性，为新型结构功能材料和高强韧防护装甲设计提供设计灵感。 以牛蹄壁生物角质材料为研究对象，利用多种力学测试手段分析其在不同取向、含水量与应变速率条件下的宏微观力学性能；采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对牛蹄壁微观组织进行表征，并研究该材料在应力作用下抵抗裂纹扩展的机制与机理；建立牛蹄壁结构、力学模型，并使用3D打印技术仿生制备与性能测试。研究结果表明： 牛蹄壁材料在相同含水量状态下，横向（TD）试样断裂强度值分别比纵向（LD）试样高，表现显著地各向异性；相同位向试样均表现为断裂强度随含水量先增大后减小的趋势；试样强度在含水量为17%时达到峰值32.95 kJ / m2；纳米压痕实验结果表明，牛蹄壁的取向和位置因素对其微观力学性能有显著影响；该材料在应变过程中表现出明显的粘弹性，使用三元Voigt-Kelvin模型可预测其力学行为。 牛蹄壁断裂研究表明，微管结构与管间材料共同增强该材料断裂强度。断裂过程中出现的三种模式可推导其断裂机理：具有层状结构的蹄壁外层可以形成多重界面结构，吸收能量并钝化裂纹；蹄壁中间层占据较大体积，可分散应力并吸收较多能量；内层作为外界与软组织器官的过渡层，可提供支撑和保护作用。 通过3D打印技术制备的具有特殊结构的仿生试样，其断裂韧性参数KIC和GIC比无此结构的对比试样分别提高了39%和55%，表现出优异的性能提升。这有望为新型高强韧轻质装甲的设计提供思路。 |
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