纳米纤维介导的骨断裂韧性
材料科学
2020-08-25 v1
摘要
天然硬质复合材料如人骨兼具超越其组分及许多工程复合材料的强度与韧性。这种增强归因于其跨越多个长度尺度的复杂层级结构；在骨中，特征尺寸从纳米级纤维、微米级板层、中尺度骨单位到宏观尺度器官。骨的力学性质已被研究，已知微纳尺度的孤立微观结构较整体组织具有更优强度，且组织相对其纳米级组分具有放大的韧性。由于在微小尺寸样品上进行断裂实验的困难，在能隔离显著微观结构特征的样品尺度上，骨的纳米级增韧机制尚未被充分理解。我们开发了探测硬质材料微米级样品特定位置断裂行为的原位三点弯曲实验方法。利用该方法，我们量化了具有尖锐疲劳预裂纹和钝缺口的人骨小梁骨的裂纹起始与扩展韧性。我们的发现表明，带疲劳裂纹的骨比带钝裂纹的骨韧性高一倍。原位数据关联的电子显微镜视频揭示该行为源于纳米级纤维结构的裂纹桥联。结果揭示了随长度尺度变化的纤维桥联（约 1 m）与裂纹偏转/扭转（约 500 m）之间的转变，并定量展示了复杂材料中层级诱导的增韧。这一通用方法能够量化多种复杂材料体系中韧性与微观结构的关系，并为设计仿生复合材料提供直接见解。
引用
@article{arxiv.2008.09955,
title = {Nanofibril-mediated Fracture Resistance of Bone},
author = {Ottman A. Tertuliano and Bryce W. Edwards and Lucas R. Meza and Vikram S. Deshpande and Julia R. Greer},
journal= {arXiv preprint arXiv:2008.09955},
year = {2020}
}