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作者：

范存才

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摘要：

众多生物材料均属于"软硬结合"的复合材料,具有多级,多层次的微结构特征和优异的跨尺度力学性能,例如:作为生物材料的典型代表,贝壳具有较高的刚度,强度和断裂韧性.对贝壳类生物材料跨尺度力学性能的研究既具有重要的学术意义,又对新材料的仿生设计具有潜在的应用前景. 大多数软体动物的贝壳中包含两种或者两种以上不同微结构的组织,珍珠母是其中形貌最为规整(砖墙结构),并且综合力学性能最好的一种,因此成为贝壳类生物材料研究的焦点.近年来,关于珍珠母生物材料的研究较多,主要集中在三个方面:(1)力学性能的研究,(2)微结构的描述和表征,(3)生长矿化机制的研究.这些研究表明,尽管珍珠母内包含了质量分数高达95%的文石晶体CaCO3,但仍然可以表现出很高的强度和断裂韧性,原因在于其基本构元(矿物小板)在微观形态上的特殊排列组合,形成了所谓的"砖墙结构". 本文的主要目的是通过力学实验和理论分析,探究贝壳,尤其是珍珠母的力学性能和微结构之间的关系.实验中选取的材料是六种双壳纲贝壳,分别为:淡水类的三角帆蚌和圆顶珠蚌,以及海水类的紫石房蛤,江珧,太平洋潜泥蛤和扇贝.主要研究工作及研究成果如下: 1.主要采用了扫描电子显微镜和原子力显微镜,对六种双壳纲贝壳的新鲜断面和抛光的腐蚀面进行了详细的微结构检测,尤其是对其中较为典型的三角帆蚌贝壳珍珠母做了细致的多级结构表征.结果表明:上述六种贝壳中,共包含5种常见的微结构形貌,分别是:(1)棱柱结构,(2)珍珠母结构,(3)匀质结构,(4)交叉叠片结构,(5)复杂交叉叠片结构. 2.对于三角帆蚌等贝壳的微观力学性能的研究,开展了系统性的纳米压痕实验.测量了各试样的硬度和弹性模量,对不同微结构种类的贝壳进行了比较分析,同时还针对三角帆蚌贝壳珍珠母做了精细的微结构描述和跨尺度的力学性能表征.结果表明:贝壳的微结构设计是和机体的生物功能需求密切相关的,比如:贝壳最外层的棱柱结构具有较高的硬度和刚度,内层珍珠母的纳米压痕的弹性模量具有明显的各向异性. 3.对于贝壳珍珠母断裂韧性的研究,开展了传统三点弯曲实验和原位三点弯曲实验.在传统珍珠母三点弯曲实验的基础上,结合裂纹尖端附近区域的原位观测实验,揭示了"裂纹偏转机制"背后的物理过程,提出了珍珠母内裂纹的稳态扩展模型,同时定量分析了珍珠母的断裂韧性. 4.对于三角帆蚌贝壳珍珠母拉伸强度的研究,开展了四组拉伸试验.在Weibull分布下的数学统计分析以及断裂形貌的观测基础上,讨论了三种环境因素和三种有机物对于珍珠母拉伸强度的影响.结果表明:干,湿,热腐蚀,NaOH腐蚀试样的拉伸强度依次减小,而实验数据的分散性却依次增大.

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关键词：

贝壳材料 多级结构 纳米压痕 力学性能 生物功能

年份：

2015