Modeling and simulation of the mechanical properties in microstructures of limpet teeth and tailor-made high-performance composites mimicking the limpet tooth microstructure

帽贝齿微观结构机械性能的建模和模拟以及模仿帽贝齿微观结构的定制高性能复合材料

基本信息

项目摘要

Biological materials are well known to exhibit exceptional properties and unique property combinations, ranging from the extreme tensile strength of spider silk, over auxeticity in pomelo peel to the combination of high strength and fracture resistance found in teeth. These properties are the result of sophisticated microstructures. In this project, limpet radula teeth are studied. The microstructure of these teeth consists of mineral nanofibers embedded in an inorganic matrix, thus, forming a ceramic fiber-reinforced silica matrix composite. This material combination is in stark contrast with other, more commonly researched, biological materials such as nacre, mammalian bone or dentin. These radula teeth significantly vary not only in material but also in microstructure from other dental structures despite serving the same function. In this project, the fracture behavior and toughening mechanisms in this extraordinary biological silica matrix composite will be studied by means of simulations and ultimately used to computationally design novel biomimetic composite architectures.
众所周知,生物材料表现出特殊的性能和独特的性能组合,从蜘蛛丝的极端拉伸强度,柚子皮的过度膨胀到牙齿中发现的高强度和抗断裂性的组合。这些特性是复杂的微观结构的结果。本课题以帽贝齿舌齿为研究对象。这些牙齿的微观结构由嵌入无机基质中的矿物纳米纤维组成,从而形成陶瓷纤维增强二氧化硅基质复合材料。这种材料组合与其他更常见的研究生物材料形成鲜明对比,如珍珠层,哺乳动物骨骼或牙本质。这些齿舌齿不仅在材料上,而且在微观结构上与其他牙齿结构显著不同,尽管它们具有相同的功能。在该项目中,将通过模拟研究这种非凡的生物二氧化硅基质复合材料的断裂行为和增韧机制,并最终用于计算设计新型仿生复合材料架构。

项目成果

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