發(fā)布時間：2016-05-11 06:40

第一章  緒論 

1.1  選題的背景及意義
哺乳動物作為當今世界上軀體結(jié)構(gòu)、功能行為最為復雜的高級動物類群[1,2]，經(jīng)過幾百萬年自身及外界的演變，進化出了許多與外界環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形態(tài)等特性，這些特性為人們在工程學領(lǐng)域方面的設(shè)計與研發(fā)提供了良好的靈感和優(yōu)秀的藍本[3-6]。哺乳動物按營養(yǎng)方式分類可以分為：食肉動物、雜食動物和食草動物三種類型，而牙齒作為哺乳動物獵食和進食最不可或缺的器官組織，始終伴隨著動物自身的進化演變而變得與其生活習性更加息息相關(guān)。 自古以來，對于哺乳動物牙齒的認識和利用就已經(jīng)與人們的生活緊密地聯(lián)系在一起，比如：人牙的健康與飲食密切相關(guān)，狼牙、虎牙等可以用來避邪，象牙制成昂貴的生活器具，豬牙是我國秦腔牙技不可缺少的組成部分，等。進入現(xiàn)代社會，隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，對于哺乳動物的牙齒研究和應(yīng)用不再僅僅局限于它的象征意義和作為簡單道具的使用，而是從它的結(jié)構(gòu)形態(tài)、材料組成、微觀結(jié)構(gòu)和力學特性等出發(fā)，應(yīng)用于現(xiàn)代科學與工程領(lǐng)域，比如：基于河貍門齒結(jié)構(gòu)形態(tài)的特性應(yīng)用到電火花強化涂層木工刀具上，用豬牙代替人牙進行大規(guī)模的醫(yī)學實驗，根據(jù)食人魚牙齒的構(gòu)形及硬度特性設(shè)計仿生剪刀等。 雖然對于哺乳動物牙齒的認識與研究越來越多，但是也有一些不足之處，例如：關(guān)于哺乳動物牙齒的研究主要集中在工程和醫(yī)學領(lǐng)域，具有一定的局限性；關(guān)于哺乳動物牙齒的研究都是零碎的、不系統(tǒng)的，，僅僅看到某一動物牙齒的表面現(xiàn)象才開始考慮研究應(yīng)用等。 本文的研究主要從解決以上問題作為出發(fā)點，系統(tǒng)地對三種食性的哺乳動物（食肉動物、雜食動物、食草動物）的牙齒的基礎(chǔ)特性進行全面地研究分析并總結(jié)規(guī)律，為以后的關(guān)于哺乳動物牙齒的仿生研究應(yīng)用提供基礎(chǔ)實驗依據(jù)。本文所選用的三種食性的哺乳動物分別為食肉動物的狗、雜食動物的豬和食草動物的梅花鹿。 
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1.2  相關(guān)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀
生物摩擦學（Bio-tribology）是 Dowson[7-8]等于 1973 年首次提出來的，定義如下：研究與生物系統(tǒng)相關(guān)的所有摩擦學問題[9]。具體是指基于生物體材料的流變性質(zhì)，以生物的摩擦、粘附和潤滑為中心，研究摩擦學行為及其與生物結(jié)構(gòu)，生物材料等特征之間的相互關(guān)系的一門學科[10-13]。生物摩擦學是一門新興的交叉學科，它涉及廣泛，比如醫(yī)學、材料學、生物學、摩擦學、機械學等，主要分為人體生物摩擦學和仿生摩擦學兩大類[14]。 人體生物摩擦學顧名思義是指人體特定領(lǐng)域的生物摩擦學，它的研究領(lǐng)域主要包含以下 3 個方面：（1）研究人體內(nèi)組織與器官組成的摩擦副。如兩個關(guān)節(jié)之間的摩擦，肌肉與骨骼之間的摩擦，角膜和眼瞼之間的摩擦，等。研究的主要目的是理解掌握摩擦學的機理，并將獲得的成果用于修復重建受損和衰退的組織器官。（2）研究人體內(nèi)組織與人造器官組成的摩擦副，即生命體和非生命體組成的摩擦副。如天然牙與人工義齒、眼瞼與人工角膜、足底皮膚和鞋襪等，研究的主要任務(wù)是防止這些非生命體對人體造成二次傷害。（3）研究在人體環(huán)境中工作的人工摩擦副，起主要作用的都是人工材料。如人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜等，這方面的主要工作是預防人工摩擦副通過摩擦產(chǎn)生的摩擦熱、磨粒等通過人體液體介質(zhì)漫布全身，對人體產(chǎn)生嚴重不良影響[15-17]。 仿生摩擦學的主要研究對象是自然界中的生物系統(tǒng)，主要目的是研究它們自身存在的奇異摩擦學現(xiàn)象，從中獲取靈感和啟發(fā)，并將研究成果應(yīng)用到工程技術(shù)領(lǐng)域，這就是仿生摩擦學的由來。仿生摩擦學研究的重點主要包括以下 3 個方面[18]：（1）關(guān)于流固界面的黏附與自清潔，這主要與摩擦學中的潤滑密切相關(guān)。Barthlott[19]等研究并發(fā)現(xiàn)了“荷葉效應(yīng)”，這在疏水材料的研究開發(fā)上得到了非常廣泛的應(yīng)用。（2）關(guān)于生物腳掌與固體表面的黏附仿生摩擦，壁虎等動物腳掌上附有剛毛，Gorb[20]等以壁虎為仿生原型，研究設(shè)計了一種人工剛毛，能夠附著在的光滑表面。（3）關(guān)于生物表面磨損特性的仿生摩擦學，沙魚（sandfish）在沙漠中能夠快速穿行與它的特殊表面密切相關(guān)，Rechenberg[21]等研究發(fā)現(xiàn)沙魚表面的耐沖蝕磨損要強與鋼和玻璃表面。
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第二章  試驗方法 

2.1  試驗材料的選取與制備 
2.1.1  試驗材料 
狗的門齒、犬齒和臼齒（選用長春市 6~7 個月的中原太行犬）；豬的門齒、犬齒和臼齒（選用長春市 10~12 個月的長白豬）；鹿的門齒、犬齒和臼齒（選用長春市 12~16個月的家養(yǎng)梅花鹿）。為了消除因所選物種年齡問題而出現(xiàn)的誤差，經(jīng)查閱相關(guān)文獻可知，狗的平均壽命為 10~15 年，從出生 6~12 個月可以達到性成熟，豬的平均壽命約為 20 年，從出生 5~12 個月可以達到性成熟，鹿的平均壽命約為 20 年，從出生 18~24個月可以達到性成熟。因此，選用的物種年齡如上所示。 
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2.1.2  試樣制備
在制備試樣之前，要先將分離出的牙齒進行清洗處理后置于蒸餾水中并保存在冰箱恒溫室內(nèi)以備用，溫度設(shè)置為 4℃。在制樣過程中，要先用電動打磨機（GWS8-125C，BOSCH 公司，德國）切除牙齒的齒根部分。隨后制備成兩種平面試樣：（1）縱剖面（如圖 2.1a 中的 A 區(qū)域），在水冷卻條件下用精密切割機（IsoMet? 4000，BUEHLER公司，美國，如圖 2.2）以牙尖為起點牙根為終點的中軸線縱剖為兩半，將此剖開的平面作為試驗面，然后用液態(tài)樹脂將試樣（縱剖面朝下）包埋在尺寸為 30 ㎜×30 ㎜×20 ㎜的特制模具中，得到牙齒試樣（如圖 2.1b）；（2）頜面（如圖 2.1a 中的 B 區(qū)域），在水冷卻條件下用切割機將牙冠以下全部切除，僅將牙冠部分包埋得到牙齒試樣（如圖 2.1c）。待包埋用樹脂材料完全凝固硬化之后將試樣取出，先后采用 400#、600#、800#、1500#、2000#的勇士牌砂紙在水冷卻條件下進行打磨，形成約為 2 ㎜×2 ㎜的試驗面（此試驗面因牙齒種類的不同而所處位置也不同）， 并用研磨拋光機（Metaserv250，BUEHLER 公司，美國，如圖 2.3）進行拋光，直至表面粗糙度 Ra低于 0.2μm 為止（通過上海泰明光學儀器有限公司生產(chǎn)的 JB-5C 型粗糙度輪廓測試儀測得），此拋光機能夠進行精細拋光，可以減少牙齒試樣表面的損傷。在制備試樣的過程中，要使用無水乙醇和蒸餾水輪流清洗產(chǎn)生的污垢。 
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2.2  試驗儀器及裝置
摩擦磨損試驗主要在摩擦磨損試驗機（UMT，CETR 公司，美國）上進行，試驗儀器如圖 2.5 所示。該儀器可以滿足大部分金屬、塑料、陶瓷、涂層等的摩擦學和機械測試需求，能測得的主要參數(shù)為負載（伺服控制）、摩擦力，力矩和系數(shù)（靜態(tài)和動態(tài)）、磨損量和磨損率、接觸高頻聲發(fā)射和電子接觸電阻等。牙齒“微觀”力學性能試驗主要在低載荷原位納米力學測試系統(tǒng)（Triboindenter，Hysitron 公司，美國）上進行，試驗儀器如圖 4.1 所示。該儀器可以進行精確納米尺度測量力學屬性如硬度，彈性模量，摩擦，耐磨性和粘合強度，可以實現(xiàn)材料評價尺度從超薄薄膜到塊體積材料，同時也提供了原位掃描探針顯微成像一起進行定量納米壓痕和納米劃痕測試。 
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第三章  牙齒的摩擦學特性對比研究 ...... 19 
3.1  試驗簡介 ...... 19 
3.2  試驗材料的選取和制備 .......... 19 
3.3  摩擦磨損機理介紹 .... 19 
3.3.1  摩擦定律及機理 ......... 19 
3.3.2  磨損定律及機理 ......... 20 
3.4  試驗結(jié)果與分析 ........ 22
3.5  本章小結(jié) ...... 35 
第四章   牙齒的力學性能對比研究 ........ 37 
4.1  試驗簡介 ...... 37 
4.2  試驗材料的選取和制備 .......... 37 
4.3  維氏硬度 ...... 37 
4.3.1  維氏硬度簡介 ...... 37 
4.3.2  維氏硬度測量 ...... 39 
4.4  納米壓痕技術(shù) ..... 40
4.5  試驗結(jié)果與分析 ........ 44
4.6  本章小結(jié) ...... 52 
第五章  牙齒的劃痕測試對比研究 .......... 55 
5.1  試驗簡介....... 55 
5.2  試驗材料的選取和制備.... 55 
5.3  試驗結(jié)果與分析......... 56
5.4  本章小結(jié)....... 67  

第五章  牙齒的劃痕測試對比研究

5.1  試驗簡介

涂層與基體之間界面結(jié)合力的大小是衡量涂層好壞的重要指標之一，其中對界面結(jié)合力的測量和評測是材料學方面的一個重要問題[93,94]。目前，測量涂層與基體之間界面結(jié)合力大小的方法有如下幾種：劃痕法、壓入法和激光沖擊法[95,96]，其中劃痕法是最常用的方法，它可以高效地測定涂層和基體的結(jié)合特性，同時具備多種形式的監(jiān)測方法且重復性較好，是一種成熟的試驗方法。“臨界載荷”(Lc)，是利用劃痕法進行測量的最重要指標，這是因為它與基體間的界面附著功和剪切強度存在一定的關(guān)系[97,98]。在劃痕測試試驗中，存在多種因素會對臨界載荷產(chǎn)生影響，比如：涂層的材料與厚度、基體的材料與硬度及基體的表面粗糙度等。 眾所周知，牙齒作為一種復雜的復合生物材料，雖然具有梯度特性、各向異性和多功能等特點，但是依然可以分為牙釉質(zhì)、釉質(zhì)牙本質(zhì)界、牙本質(zhì)。本文將牙釉質(zhì)、釉質(zhì)牙本質(zhì)界、牙本質(zhì)近似看做涂層與基體的關(guān)系，用劃痕法對不同食性哺乳動物的牙齒釉質(zhì)進行劃痕測試。不同食性哺乳動物牙齒的劃痕測試主要在 CSM 公司生產(chǎn)的Revetest Xpress 型劃痕測試儀上進行，在縱剖面上進行刻劃，劃痕從齒尖一側(cè)開始，到齒根一側(cè)結(jié)束。 

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結(jié)論 

本文主要以食肉動物的狗、雜食動物的豬和食草動物的梅花鹿的牙齒為研究對象，利用摩擦磨損試驗機以 Si3N4陶瓷球與牙齒試樣對磨并結(jié)合共聚焦激光掃描顯微鏡測量磨損表面深度進行牙齒的摩擦學特性測試，采用維氏硬度計、納米力學測試系統(tǒng)對牙齒的力學性能進行研究，通過劃痕測試儀測得牙齒的結(jié)合強度，結(jié)合生物摩擦學、納米力學理論、生物材料學、試驗優(yōu)化設(shè)計等理論方法系統(tǒng)地對以狗、豬、鹿為代表的三種食性哺乳動物的牙齒進行研究，主要得出以下結(jié)論：
1)  三種動物牙齒的摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線都可以分為三個階段：①接觸初期，摩擦因數(shù)緩慢增大階段，這是因為在與 Si3N4陶瓷球接觸的初期，三種動物牙齒的釉質(zhì)表面粗糙度很低，因此剛開始三種動物牙齒的摩擦因數(shù)較�。虎诮�(jīng)過一段時間，摩擦因數(shù)迅速增大階段，出現(xiàn)上述情況是受牙齒礦化程度和釉柱晶體致密度不同的影響；③隨著時間的增加，摩擦因數(shù)最終穩(wěn)定階段，隨著試驗的進行，從牙齒釉質(zhì)表面上剝落下來的片狀釉質(zhì)受到反復擠壓而使尺寸變得更加細小，此時的細小釉質(zhì)顆粒起到了潤滑作用，使得牙釉質(zhì)與 Si3N4陶瓷球間的磨損強度降低，摩擦因數(shù)進入穩(wěn)定階段。 
2)  三種動物牙齒的釉質(zhì)縱剖面經(jīng)過摩擦磨損試驗之后，形成了類似于橢圓形的磨斑，主要的磨損形式有疲勞磨損、粘著磨損和磨粒磨損。根據(jù)磨損表面的形貌可以粗略判斷這種牙齒的耐磨性，磨損表面形貌的特征主要有磨屑剝落、龜裂現(xiàn)象和細小磨粒等。牙齒耐磨性的好壞與釉柱的致密程度和排列形式密切相關(guān)。 
3)  通過共聚焦激光掃描顯微鏡對試驗之后牙齒的磨損表面深度測量，根據(jù)深度的大小可以精確判斷牙齒的耐磨性。最終測得，門齒中豬門齒的耐磨性略好于鹿門齒，狗門齒的耐磨性最差；犬齒中耐磨性的排列順序是：狗犬齒＞豬犬齒＞鹿犬齒；臼齒中鹿臼齒的耐磨性最好，豬臼齒次之，狗臼齒最差。三種動物牙齒耐磨性好壞的排列順序與維氏硬度的順序一致，說明硬度大的這三種動物牙齒耐磨性也好。 
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參考文獻(略)

本文編號：43793