水牛角角鞘的各向异性研究

水牛角角鞘是一种具有优异力学性能的生物材料,本文主要研究其力学性能和变形损伤机理的各向异性。首先,通过同步辐射断层扫描技术和扫描电镜分别获得了角鞘在初始状态下的三维结构和3个不同方向(纵向、横向和径向)的微观形貌,发现角鞘由波浪状片层沿径向堆叠而成,大量沿纵向生长的长条形孔隙随机镶嵌其中。随后利用自制的微型材料试验机开展了角鞘沿3个方向的准静态压缩实验,并通过准原位扫描电镜表征技术观测试样的变形损伤过程。宏观应力-应变曲线表明,角鞘表现出明显的各向异性：纵向具有最高的屈服强度,而径向表现出最大的塑性硬化率。准原位扫描电镜图像揭示了不同方向的裂纹成核和扩展模式存在明显差异。纵向上,片层屈曲诱导初始孔隙沿横向扩张,并沿层间界面相互贯通形成宏观裂纹;横向上,波浪状片层在压缩载荷下会发生显著的弯曲变形,层间易发生滑移开裂;径向上,层间相互挤压将初始孔隙压实,此后试样内出现沿45°方向的“X”形剪切带。变形机制的差异本质上来源于角鞘特殊的微观结构——波浪状片层和单向排布的长条形孔隙,最终导致了宏观力学性能的各向异性。上述结果不仅解释了牛角优异力学性能的物理基础,而且对仿生材料设计具有参考意义。