生物材料纳米复合结构中的微屈曲

纳米复合结构是由硬矿物和软蛋白质组成的生物材料的基本组成部分，矿物晶体在蛋白质基质中交错排列。这种特殊的矿物排列被认为对生物材料在压缩载荷下的结构稳定性至关重要，但其潜在的机制尚不清楚。在本研究中，我们明确考虑了矿物晶体的交错排列，以及在屈曲变形过程中矿物之间的配合，对纳米复合材料结构的屈曲强度进行了解析分析。确定了纳米结构的两种局部屈曲模态，即对称模态和反对称模态。结果表明，对称模式在大长径比和大体积分数下经常发生，而反对称模式在小长径比和小体积分数下发生。此外，我们发现，由于矿物在交错排列的帮助下相互协调，这两种模式的屈曲强度接近Rosen模型给出的大长径比下理想连续纤维增强复合材料的屈曲强度，对矿物尖端之间存在的“间隙”状缺陷不敏感。此外，我们还发现了随着长径比的增加，屈曲模式从局部屈曲向全局屈曲转变的机制，这归因于屈曲强度与长径比的双相依赖。即当展弦比较小时，局部屈曲强度小于全局屈曲强度，从而主导了纳米复合材料的屈曲行为;当长径比较大时，局部屈曲强度高于整体屈曲强度，整体屈曲支配屈曲行为。我们还发现，层次化结构可以有效地提高生物纳米复合材料的屈曲强度，特别是这种结构设计可以使生物纳米复合材料避免局部屈曲，从而通过层次化设计在宏观尺度上实现整体屈曲。 These features are remarkably important for the mechanical functions of biological materials, such as bone, teeth and nacre, which often sustain large compressive load.