紅皺巖螺貝殼的結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)行為研究.pdf

1、天然生物材料，尤其是生物礦化材料，如骨骼、貝殼和牙齒等，在歷經(jīng)了隨生物體長期的進(jìn)化后，其材料微結(jié)構(gòu)和與之相對應(yīng)的宏觀性能基本上趨于最優(yōu)化。盡管生物礦化材料的基本組成單元很平常，如碳酸鈣或磷酸鈣等最常見的材料，但往往具有適應(yīng)其環(huán)境及功能需要的復(fù)雜組裝結(jié)構(gòu)，所表現(xiàn)出的杰出的材料性能，是傳統(tǒng)人工合成材料無法比擬的。貝殼作為天然生物材料的一種，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的力學(xué)性能而受到材料設(shè)計(jì)和研究者的關(guān)注。本文以天然生物材料紅皺巖螺貝殼為研究對象

2、，利用各種分析、測試技術(shù)對紅皺巖螺貝殼的微觀組織結(jié)構(gòu)、晶體成份、維氏顯微硬度、壓縮力學(xué)行為進(jìn)行了分析探討，為人們研究這種天然生物材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為提供了可供參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　通過對紅皺巖螺貝殼不同層平面和不同取向橫截面的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，紅皺巖螺貝殼是一種具有層級結(jié)構(gòu)材料，層級結(jié)構(gòu)分布于整個(gè)貝殼。紅皺巖螺貝殼的內(nèi)層和中層是一種片狀珍珠質(zhì)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，外層是一種棱柱狀結(jié)構(gòu)，在外層與中層之間可以觀察到一個(gè)非常明顯的界面。紅皺巖螺貝

3、殼在沿著不同取向的橫截面（垂直取向的橫截面和平行取向橫截面）所觀察到的微觀組織也有差異，表現(xiàn)出各向異性特征。
　　通過對紅皺巖螺貝殼各層的XRD數(shù)據(jù)分析可知，紅皺巖螺貝殼各層的成份及含量都存在差異。紅皺巖螺貝殼內(nèi)層和中層的主要成份是球文石型碳酸鈣晶體和可能由于球文石相轉(zhuǎn)變或分解而產(chǎn)生的多種物質(zhì)，且在內(nèi)層和中層中成份種類及含量都不同。外層中含有一種與中層所探測到的方解石碳酸鈣晶體結(jié)構(gòu)不同的方解石碳酸鈣晶體。這種方解石碳酸鈣晶體在外層

4、中含量高，是紅皺巖螺貝殼外層的主要成份。
　　對紅皺巖螺貝殼不同層平面及不同取向橫截面進(jìn)行了顯微硬度表征發(fā)現(xiàn)，貝殼從內(nèi)層到外層硬度逐漸降低（以橫截面上不同位置在50 g載荷下的硬度為參考，貝殼內(nèi)層到外層的維氏硬度在312 Hv-155 Hv之間）。通過對顯微硬度壓痕的觀察和測量發(fā)現(xiàn)，貝殼不同層的壓痕裂紋路徑、裂紋擴(kuò)展距離及壓痕產(chǎn)生的破壞區(qū)面積都不一樣，表現(xiàn)出來的斷裂韌性從內(nèi)層到外層逐漸降低，各層的斷裂機(jī)制及韌化機(jī)制不同。
　

5、　對紅皺巖螺貝殼平行層平面上不同取向樣品（即加載方向與貝殼螺旋線成不同角度）進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，測量了彈性模量、第一斷裂應(yīng)力、最大斷裂應(yīng)力、斷裂功密度等數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)不同取向的紅皺巖螺貝殼樣品在這些測量數(shù)據(jù)方面均不相同，但每項(xiàng)數(shù)據(jù)都是0°取向樣品平均值最高，60°取向樣品平均值最低，說明紅皺巖螺貝殼樣品的力學(xué)性能與其取向有關(guān)。這應(yīng)該是由于不同取向貝殼樣品中粗細(xì)紋路所處的應(yīng)力狀態(tài)不同導(dǎo)致的。通過對紅皺巖螺貝殼壓縮過程中斷裂行為的研究及對其斷裂路徑