| 基底应变对界面黏附的影响机制及黏弹性条带的断裂强度研究 |
| 英文题名 | Studies of the effect of substrate strain on interface adhesion and the fracture strength of viscoelastic strip
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| 陈磊
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| 导师 | 陈少华
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| 2015
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 固体力学
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| 摘要 | 细胞-细胞及细胞-胞外介质间的黏附行为以及生物材料的强度特性是近年来生物力学、仿生力学领域关注的前沿科学问题。受细胞黏附感应基底应变的现象及生物结构材料高断裂强度两方面的启发，本文通过仿生实验和理论建模方法，系统研究了界面黏附对基底非均匀应变及均匀应变的黏附响应机制及影响因素，并适当研究了仿生材料的有限宽黏弹性条带断裂行为，一方面为细胞黏附相关疾病的治疗提供理论参考，为纳米感应器件的研发提供新设计概念，另一方面为高强度仿生材料制备提供新思想。本文主要研究内容如下： 受输卵管中受精卵细胞黏附输运现象启发，设计仿生实验装置，开展仿生黏附输运实验，提出基底非均匀应变场驱动气泡（颗粒）输运的新概念：应用界面裂纹获得基底内非均匀应变场，实验分析发现，若气泡处于非均匀应变场中，则会发生黏附滚动，而处于非均匀场外，则无滚动发生。建立了二维弹性圆柱与弹性基底黏附接触的广义 JKR (Johnson-Kendall-Roberts) 模型，以及三维球膜与弹性基底黏附接触的理论模型，给出了基底内非均匀应变场驱动气泡（颗粒）起始滚动的临界条件与稳态滚动准则，分析了影响滚动的主要因素。 进一步建立石墨烯滑片与石墨烯条带黏附接触的原子连续力学模型，深入研究非均匀应变场的驱动机理。应用 Lennard-Jones (L-J) 势表征石墨烯滑片与石墨烯条带间的相互作用，通过石墨烯条带与刚性基底间的界面裂纹扩展引入条带内非均匀应变场。理论分析发现非均匀应变场导致石墨烯滑片受力不平衡，引发石墨烯滑片迁移的动力，进一步给出石墨烯滑片的起始滑移准则与稳态滑移准则，并揭示了影响稳态滑移速度的主要因素。 建立二维充气球膜与弹性基底的黏附接触力学模型，研究基底均匀应变场对黏附接触行为的影响。通过系统能量最小原理获得球膜与基底间接触宽度与外载荷间的关系，发现存在两个临界载荷，控制黏附接触行为：当外载荷小于第一个临界值时，黏附接触面积几乎不变；而外载荷处于两个临界载荷之间，黏附面积随载荷的增大急剧减小；一旦外载荷超过第二个临界载荷，黏附接触变为点接触。相比于基底非均匀应变场的情况，基底均匀场作用使得黏附接触面积的大小发生改变，而不能发生黏附滚动或滑动行为。该理论结果与细胞感应基底振荡载荷发生方向重排而存在两个临界载荷的实验现象具有一定的共性。 最后，针对生物结构材料高强度特征，考虑生物材料典型的黏弹性性质，研究了有限宽黏弹性条带的拉伸断裂行为。分别建立了含中心裂纹黏弹性条带断裂的 Griffith 模型以及 Dugdale-Barenblatt 内聚力模型，发现黏弹性条带存在一个临界宽度，若条带宽度小于该临界值，条带断裂强度达到材料的理论强度，与缺陷无关，即生物结构材料的缺陷不敏感特性。相比于弹性条带模型，加载速率越高，黏弹性条带的缺陷不敏感尺寸则越大，揭示了生物材料黏弹性的抗冲击保护机制。 |
| 索取号 | 31203
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55064
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| 专题 | 非线性力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
陈磊. 基底应变对界面黏附的影响机制及黏弹性条带的断裂强度研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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