牛科动物的犄角角鞘作为角蛋白材料中的典型代表,结构和功能与其它天然生物材料不尽相同。探索其宏微观结构,揭示其强韧化机理,可以加深我们对犄角材料变形损伤动力学的认识,因此开展犄角的微观结构和力学行为的研究对仿生材料设计具有重要意义。本文针对加载方向和加载速率对牛角角鞘的宏观力学性能和变形机理的影响展开系统研究,获取了牛角角鞘在准静态和动态压缩下的力学响应,并对其结构演化进行原位和离位表征。得到如下相关结论:(1)牛角角鞘与其他牛科动物的微结构存在明显差异,内部具有三维叠层细孔结构,且薄层具有波浪状形态,初始孔洞呈断续的椭圆柱状沿纵向平行排列,并均匀地穿插在基体中,纵向和横向的特征轴长均值分别约为7μm和3μm,孔隙率在1%左右。拓扑学量化分析结果显示,孔洞形状变化很大,特征轴长的伸长指数和轴比的频率分布近似符合对数正态分布。(2)牛角角鞘优异的力学性能来源于角鞘特殊的三维叠层细孔结构。孔洞在纵向上的断续分布增加了裂纹沿着纵向传播的阻力;波浪状薄层界面增加了裂纹横向扩张路径,需要消耗更多的能量;同时,片层之间存在纤维连接,增强了层间剪切强度,抑制了层间裂纹快速传播,使得各处裂纹独立缓慢发展而很难贯通样品。这些都是牛角呈现较高强度和优良韧性的原因。(3)动静态加载下的应力应变曲线表明,加载速率对角鞘的弹性模量、屈服强度、屈服应变和断裂强度有重要影响,随着应变率的增加呈指数增长关系。应变率敏感度量化分析表明,在相同的宏观应变下,应变率敏感度随着应变率升高而增加;在相同应变率的情况下,应变率敏感度随着宏观应变的增加而减小。不同加载方向宏观应力应变-曲线表明,牛角角鞘具有强烈的各向异性,三个方向加载的屈服强度分别是纵向>横向>径向,而动态断裂应变则是径向>横向>纵向。而各向异性与加载应变率密切相关。(4)半原位SEM、原位光学成像和回收分析结果表明,角鞘在动静态加载下的损伤破坏模式存在差异。准静态加载时,纵向上主要以初始孔洞沿着波浪层状界面扩展为主;而径向上层间的相互挤压形成X形剪切带,裂纹从试样外部向内扩展;横向试样主要通过薄层的弯曲来抵抗变形,形成45°裂纹。而动态加载时,在纵向方向上,薄层屈曲变形,孔洞沿着纵向快速扩张,同时沿着波浪状界面扩展,加速了试样的剪切分层失效;在径向方向上,45°剪切导致试样的失效破坏;而横向方向上,V形剪切是试样失效破坏的主要原因。