發(fā)布時(shí)間：2016-05-11 06:40

第一章  緒論 

1.1  選題的背景及意義
哺乳動(dòng)物作為當(dāng)今世界上軀體結(jié)構(gòu)、功能行為最為復(fù)雜的高級(jí)動(dòng)物類群[1,2]，經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年自身及外界的演變，進(jìn)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?cè)诠こ虒W(xué)領(lǐng)域方面的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了良好的靈感和優(yōu)秀的藍(lán)本[3-6]。哺乳動(dòng)物按營(yíng)養(yǎng)方式分類可以分為：食肉動(dòng)物、雜食動(dòng)物和食草動(dòng)物三種類型，而牙齒作為哺乳動(dòng)物獵食和進(jìn)食最不可或缺的器官組織，始終伴隨著動(dòng)物自身的進(jìn)化演變而變得與其生活習(xí)性更加息息相關(guān)。 自古以來(lái)，對(duì)于哺乳動(dòng)物牙齒的認(rèn)識(shí)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(lái)避邪，象牙制成昂貴的生活器具，豬牙是我國(guó)秦腔牙技不可缺少的組成部分，等。進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)于哺乳動(dòng)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(jiǎn)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(xué)特性等出發(fā)，應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)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(qiáng)化涂層木工刀具上，用豬牙代替人牙進(jìn)行大規(guī)模的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)食人魚(yú)牙齒的構(gòu)形及硬度特性設(shè)計(jì)仿生剪刀等。 雖然對(duì)于哺乳動(dòng)物牙齒的認(rèn)識(shí)與研究越來(lái)越多，但是也有一些不足之處，例如：關(guān)于哺乳動(dòng)物牙齒的研究主要集中在工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，具有一定的局限性；關(guān)于哺乳動(dòng)物牙齒的研究都是零碎的、不系統(tǒng)的，，僅僅看到某一動(dòng)物牙齒的表面現(xiàn)象才開(kāi)始考慮研究應(yīng)用等。 本文的研究主要從解決以上問(wèn)題作為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地對(duì)三種食性的哺乳動(dòng)物（食肉動(dòng)物、雜食動(dòng)物、食草動(dòng)物）的牙齒的基礎(chǔ)特性進(jìn)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(dòng)物牙齒的仿生研究應(yīng)用提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文所選用的三種食性的哺乳動(dòng)物分別為食肉動(dòng)物的狗、雜食動(dòng)物的豬和食草動(dòng)物的梅花鹿。 
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1.2  相關(guān)研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
生物摩擦學(xué)（Bio-tribology）是 Dowson[7-8]等于 1973 年首次提出來(lái)的，定義如下：研究與生物系統(tǒng)相關(guān)的所有摩擦學(xué)問(wèn)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(rùn)滑為中心，研究摩擦學(xué)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(xué)科[10-13]。生物摩擦學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，它涉及廣泛，比如醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)等，主要分為人體生物摩擦學(xué)和仿生摩擦學(xué)兩大類[14]。 人體生物摩擦學(xué)顧名思義是指人體特定領(lǐng)域的生物摩擦學(xué)，它的研究領(lǐng)域主要包含以下 3 個(gè)方面：（1）研究人體內(nèi)組織與器官組成的摩擦副。如兩個(gè)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(xué)的機(jī)理，并將獲得的成果用于修復(fù)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(duì)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(yù)防人工摩擦副通過(guò)摩擦產(chǎn)生的摩擦熱、磨粒等通過(guò)人體液體介質(zhì)漫布全身，對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響[15-17]。 仿生摩擦學(xué)的主要研究對(duì)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(xué)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(xué)的由來(lái)。仿生摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)主要包括以下 3 個(gè)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(xué)中的潤(rùn)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(kāi)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(dòng)物腳掌上附有剛毛，Gorb[20]等以壁虎為仿生原型，研究設(shè)計(jì)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(xué)，沙魚(yú)（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(yú)表面的耐沖蝕磨損要強(qiáng)與鋼和玻璃表面。
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第二章  試驗(yàn)方法 

2.1  試驗(yàn)材料的選取與制備 
2.1.1  試驗(yàn)材料 
狗的門齒、犬齒和臼齒（選用長(zhǎng)春市 6~7 個(gè)月的中原太行犬）；豬的門齒、犬齒和臼齒（選用長(zhǎng)春市 10~12 個(gè)月的長(zhǎng)白豬）；鹿的門齒、犬齒和臼齒（選用長(zhǎng)春市 12~16個(gè)月的家養(yǎng)梅花鹿）。為了消除因所選物種年齡問(wèn)題而出現(xiàn)的誤差，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，狗的平均壽命為 10~15 年，從出生 6~12 個(gè)月可以達(dá)到性成熟，豬的平均壽命約為 20 年，從出生 5~12 個(gè)月可以達(dá)到性成熟，鹿的平均壽命約為 20 年，從出生 18~24個(gè)月可以達(dá)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(jìn)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(guò)程中，要先用電動(dòng)打磨機(jī)（GWS8-125C，BOSCH 公司，德國(guó)）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(jī)（IsoMet? 4000，BUEHLER公司，美國(guó)，如圖 2.2）以牙尖為起點(diǎn)牙根為終點(diǎn)的中軸線縱剖為兩半，將此剖開(kāi)的平面作為試驗(yàn)面，然后用液態(tài)樹(shù)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(jī)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(shù)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?jiān)谒�冷卻條件下進(jìn)行打磨，形成約為 2 ㎜×2 ㎜的試驗(yàn)面（此試驗(yàn)面因牙齒種類的不同而所處位置也不同）， 并用研磨拋光機(jī)（Metaserv250，BUEHLER 公司，美國(guó)，如圖 2.3）進(jìn)行拋光，直至表面粗糙度 Ra低于 0.2μm 為止（通過(guò)上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的 JB-5C 型粗糙度輪廓測(cè)試儀測(cè)得），此拋光機(jī)能夠進(jìn)行精細(xì)拋光，可以減少牙齒試樣表面的損傷。在制備試樣的過(guò)程中，要使用無(wú)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(yàn)儀器及裝置
摩擦磨損試驗(yàn)主要在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（UMT，CETR 公司，美國(guó)）上進(jìn)行，試驗(yàn)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(xué)和機(jī)械測(cè)試需求，能測(cè)得的主要參數(shù)為負(fù)載（伺服控制）、摩擦力，力矩和系數(shù)（靜態(tài)和動(dòng)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(xué)性能試驗(yàn)主要在低載荷原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)（Triboindenter，Hysitron 公司，美國(guó)）上進(jìn)行，試驗(yàn)儀器如圖 4.1 所示。該儀器可以進(jìn)行精確納米尺度測(cè)量力學(xué)屬性如硬度，彈性模量，摩擦，耐磨性和粘合強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)材料評(píng)價(jià)尺度從超薄薄膜到塊體積材料，同時(shí)也提供了原位掃描探針顯微成像一起進(jìn)行定量納米壓痕和納米劃痕測(cè)試。 
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第三章  牙齒的摩擦學(xué)特性對(duì)比研究 ...... 19 
3.1  試驗(yàn)簡(jiǎn)介 ...... 19 
3.2  試驗(yàn)材料的選取和制備 .......... 19 
3.3  摩擦磨損機(jī)理介紹 .... 19 
3.3.1  摩擦定律及機(jī)理 ......... 19 
3.3.2  磨損定律及機(jī)理 ......... 20 
3.4  試驗(yàn)結(jié)果與分析 ........ 22
3.5  本章小結(jié) ...... 35 
第四章   牙齒的力學(xué)性能對(duì)比研究 ........ 37 
4.1  試驗(yàn)簡(jiǎn)介 ...... 37 
4.2  試驗(yàn)材料的選取和制備 .......... 37 
4.3  維氏硬度 ...... 37 
4.3.1  維氏硬度簡(jiǎn)介 ...... 37 
4.3.2  維氏硬度測(cè)量 ...... 39 
4.4  納米壓痕技術(shù) ..... 40
4.5  試驗(yàn)結(jié)果與分析 ........ 44
4.6  本章小結(jié) ...... 52 
第五章  牙齒的劃痕測(cè)試對(duì)比研究 .......... 55 
5.1  試驗(yàn)簡(jiǎn)介....... 55 
5.2  試驗(yàn)材料的選取和制備.... 55 
5.3  試驗(yàn)結(jié)果與分析......... 56
5.4  本章小結(jié)....... 67  

第五章  牙齒的劃痕測(cè)試對(duì)比研究

5.1  試驗(yàn)簡(jiǎn)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(biāo)之一，其中對(duì)界面結(jié)合力的測(cè)量和評(píng)測(cè)是材料學(xué)方面的一個(gè)重要問(wèn)題[93,94]。目前，測(cè)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(cè)定涂層和基體的結(jié)合特性，同時(shí)具備多種形式的監(jiān)測(cè)方法且重復(fù)性較好，是一種成熟的試驗(yàn)方法�！芭R界載荷”(Lc)，是利用劃痕法進(jìn)行測(cè)量的最重要指標(biāo)，這是因?yàn)樗�與基體間的界面附著功和剪切強(qiáng)度存在一定的關(guān)系[97,98]。在劃痕測(cè)試試驗(yàn)中，存在多種因素會(huì)對(duì)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(fù)雜的復(fù)合生物材料，雖然具有梯度特性、各向異性和多功能等特點(diǎn)，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(duì)不同食性哺乳動(dòng)物的牙齒釉質(zhì)進(jìn)行劃痕測(cè)試。不同食性哺乳動(dòng)物牙齒的劃痕測(cè)試主要在 CSM 公司生產(chǎn)的Revetest Xpress 型劃痕測(cè)試儀上進(jìn)行，在縱剖面上進(jìn)行刻劃，劃痕從齒尖一側(cè)開(kāi)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(dòng)物的狗、雜食動(dòng)物的豬和食草動(dòng)物的梅花鹿的牙齒為研究對(duì)象，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)以 Si3N4陶瓷球與牙齒試樣對(duì)磨并結(jié)合共聚焦激光掃描顯微鏡測(cè)量磨損表面深度進(jìn)行牙齒的摩擦學(xué)特性測(cè)試，采用維氏硬度計(jì)、納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)牙齒的力學(xué)性能進(jìn)行研究，通過(guò)劃痕測(cè)試儀測(cè)得牙齒的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合生物摩擦學(xué)、納米力學(xué)理論、生物材料學(xué)、試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論方法系統(tǒng)地對(duì)以狗、豬、鹿為代表的三種食性哺乳動(dòng)物的牙齒進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：
1)  三種動(dòng)物牙齒的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線都可以分為三個(gè)階段：①接觸初期，摩擦因數(shù)緩慢增大階段，這是因?yàn)樵谂c Si3N4陶瓷球接觸的初期，三種動(dòng)物牙齒的釉質(zhì)表面粗糙度很低，因此剛開(kāi)始三種動(dòng)物牙齒的摩擦因數(shù)較小；②經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(shí)間的增加，摩擦因數(shù)最終穩(wěn)定階段，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，從牙齒釉質(zhì)表面上剝落下來(lái)的片狀釉質(zhì)受到反復(fù)擠壓而使尺寸變得更加細(xì)小，此時(shí)的細(xì)小釉質(zhì)顆粒起到了潤(rùn)滑作用，使得牙釉質(zhì)與 Si3N4陶瓷球間的磨損強(qiáng)度降低，摩擦因數(shù)進(jìn)入穩(wěn)定階段。 
2)  三種動(dòng)物牙齒的釉質(zhì)縱剖面經(jīng)過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)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(xì)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(guò)共聚焦激光掃描顯微鏡對(duì)試驗(yàn)之后牙齒的磨損表面深度測(cè)量，根據(jù)深度的大小可以精確判斷牙齒的耐磨性。最終測(cè)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(dòng)物牙齒耐磨性好壞的排列順序與維氏硬度的順序一致，說(shuō)明硬度大的這三種動(dòng)物牙齒耐磨性也好。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：43793