牙釉质作为人体内最坚硬的矿化组织覆盖在牙齿的最外层,它有着卓越的耐磨性以及抗断裂性能。即使经历数亿次循环的咀嚼磨损,牙釉质仅以极其有限的损伤来分散大部分的咀嚼应力,从而避免了牙齿的断裂失效。牙釉质优异的力学性能与其有序排列的结构以及复杂的化学成分密不可分。随着显微观测技术和纳米压痕技术的快速发展,近年来牙釉质的多级结构和力学性能引起了大量的关注。然而以往关于牙釉质摩擦磨损性能的大部分研究主要依据现有的一般单相材料的磨损理论进行讨论和分析,很少基于牙釉质自身独特的微观结构与内在组织的粘结方式来研究。此外牙釉质基础的组成部分是纳米级别的羟基磷灰石晶粒,目前对牙釉质力学性能以及摩擦磨损的研究多在宏观尺度和微观尺度下进行,很少涉及牙釉质纳观尺度的损伤理论研究。因此有必要基于牙釉质的微观结构以及组成成分深入研究牙釉质在微纳尺度下的摩擦磨损现象与机理,并据此建立牙釉质自身独特的磨损理论。相关研究成果不但可以丰富牙釉质的摩擦学基础理论,而且有助于深入了解牙齿结构的自然进化,同时为材料的仿生设计提供新的思路。本文对牙釉质在微纳尺度下的摩擦磨损行为及其机理开展了系统深入的研究。首先,借助微纳磨损设备,研究了软材料对牙釉质的磨粒磨损行为。在此基础上,采用原子力显微镜探究了牙釉质产生微观磨损的条件。其次,借助原子力显微镜和纳米划痕仪探索了牙釉质在纳观尺度下的损伤模式,分析了羟基磷灰石颗粒的损伤机理并揭示了牙釉质在纳观尺度下的磨损机制。最后,通过扫描电镜对羟基磷灰石颗粒两种排列取向进行观测,并借助纳米压痕仪研究了羟基磷灰石颗粒不同排列取向对牙釉质力学及微观摩擦磨损性能的的影响。本论文通过对牙釉质在微纳尺度下的摩擦磨损行为的系统研究,得出的主要结论及创新点如下:(1)揭示了微观尺度下软材料对牙釉质磨粒磨损的影响机制。选用硬度远低于牙釉质的铝球与黄铜球,通过单次划痕磨损实验考察了软材料对牙釉质磨粒磨损的影响规律,进而通过微观磨损实验揭示了软材料磨损牙釉质的内在机理。研究表明,单次磨损工况下,牙釉质可以被硬度比其低的软材料磨损并在对磨副上发现牙釉质磨屑的存在,软材料对牙釉质的磨损形式主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。牙釉质磨损产生的条件是加载在牙齿上的咀嚼应力超过牙釉质羟基磷灰石颗粒间蛋白质层的粘结力,使蛋白质发生破坏,从而引起羟基磷灰石颗粒的脱落。该研究初步探索了牙釉质的微观磨损机制,为后续开展的牙釉质纳米磨损的机理研究提供了参考。同时也为建立牙釉质微观磨损和古生物饮食习惯之间的联系奠定了基础,使得古生物饮食重建成为可能。(2)发现了纳观尺度下牙釉质羟基磷灰石颗粒的三种损伤行为,揭示了牙釉质的纳米磨损机制。羟基磷灰石颗粒在纳观尺度下基于不同载荷以及受力方式表现出去除、变形以及细化三种损伤模式。牙釉质羟基磷灰石颗粒发生初始去除的临界接触压力最低,其次是变形,最后是细化。当外加载荷超过羟基磷灰石颗粒间的蛋白粘结力时,颗粒从牙釉质表面脱落形成去除;当羟基磷灰石颗粒垂直方向上的蛋白质粘结层变形或断裂时,由于颗粒下方间隙的存在,颗粒受力向下压缩,形成变形;当加载在牙釉质上的接触压力超过羟基磷灰石纳米球颗粒间的氢键粘结力时,羟基磷灰石颗粒发生破碎现象,形成细化。进一步研究表明,牙釉质这三种损伤模式受不同加载方式的影响表现有所差异。相比划痕加载模式,当采用压痕加载模式时,牙釉质发生同等损伤所需的接触压力相对较大。该研究揭示了牙釉质新的纳米磨损机理,进一步补充和完善了牙釉质从宏观到微观到纳观的基础理论体系。(3)阐明了轻度酸蚀后牙釉质表面羟基磷灰石颗粒排列取向对其力学及摩擦磨损性能的影响机制。采用0.001 M柠檬酸对牙釉质进行轻度酸蚀1 min后,观测了牙釉质表面羟基磷灰石颗粒的排列取向,研究了羟基磷灰石颗粒排列取向对其力学及摩擦磨损性能的影响。研究结果表明,在微观尺度下,羟基磷灰石颗粒在咬合面和剖面以不同的排列取向构成外层牙釉质的釉柱与釉间质。通过对比这两种不同取向羟基磷灰石颗粒的力学性能和摩擦磨损性能,发现长轴方向平行于磨损表面的羟基磷灰石颗粒具有更高的硬度和弹性模量,并表现出更好的摩擦磨损性能。利用牙釉质的微纳磨损机制对不同取向羟基磷灰石颗粒进行受力分析,阐述了不同排列羟基磷灰石颗粒对其力学及摩擦磨损性能的内在影响机理。研究结果进一步丰富了牙釉质的构性关系及微纳磨损理论成果,并为牙科材料的临床防治提供了理论支撑。综上所述,牙釉质作为一种天然的复合材料,有其独特的磨损理论。本文对牙釉质微纳尺度下力学性能及摩擦磨损行为的研究,不仅丰富了牙齿材料摩擦学基础理论,而且为仿生牙科材料的设计以及牙齿的临床防治提供了理论依据。