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原位测试研究成果在Nature出版集团旗下期刊NPG Asia Materials在线发表
发布时间:2021-09-10    作者:李刚    编辑:马研    浏览:

近期,我院赵宏伟教授团队与清华大学精密仪器系、西安交通大学金属材料强度国家重点实验室、澳大利亚皇家墨尔本大学合作的研究论文“Aggravated stress fluctuation and mechanical size effects of nanoscale lamellar bone pillars”在Nature出版集团旗下学术期刊《NPG Asia Materials》(2020年影响因子10.481)在线发表(https://doi.org/10.1038/s41427-021-00328-6),论文第一作者为马志超教授。

该论文围绕骨结构微观变形行为和损伤机制的尺寸效应开展研究。力学性能的尺寸效应影响分层板层骨的微观变形行为和破坏机制。纳米层状骨的连续变形行为和“结构-行为-性能”相关性的研究可为降低骨折风险提供必要的数据。改论文在单个骨板内制备了五组直径从640nm到4971nm的骨微柱。扫描电子显微镜内的原位微柱压缩试验直接揭示了与直径相关的显著增加的强度、延展性和应力波动幅度。实时的电镜下原位观测亦揭示了较小直径微柱的分段变形和形态各向异性,以及较大直径微柱的轻微弹性恢复,并确定了微尺度骨骼脆-韧转变的临界尺度。纳米尺度上的“类似锯齿流”应力波动行为表现出显著的尺寸效应,每个周期的波动表现为缓慢的应力增加和快速的应力释放。

骨微柱尺寸效应下的韧-脆转变

该论文提出了一种描述胶原纤维宏观应力波动行为的非连续断裂理论。长径比相对较大的胶原纤维的缓慢弯曲和瞬时断裂分别促进了应力的增加和减小。在应变梯度塑性理论的基础上,通过分层位错运动理论阐述了微观应力波动行为。羟基磷灰石晶体内部的位错运动和位错在纤维-基体界面的堆积导致了缓慢的应力增加,位错在自由表面的溢出导致了快速的应力降低。通过对微尺度骨变形行为的原位测试,揭示了其界面失效本质,为多相仿生骨材料研发及强韧化设计提供了测试支撑。

引发骨微柱应力波动的胶原纤维非连续断裂理论

该研究工作得到了国家自然科学基金(51875241)、国家重点研发计划项目(2018YFF010124)、吉林省科技发展计划项目(20190302078GX, YDZJ202101ZYTS129)的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41427-021-00328-6

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