加州扁鳥蛤貝殼的結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)行為研究.pdf

1、骨骼、貝殼和牙齒等天然生物礦化材料所表現(xiàn)出的杰出的力學(xué)性能，是傳統(tǒng)人工合成材料無法比擬的。雖然它們的基本組成單元很平常，但是其具有適應(yīng)環(huán)境需要的復(fù)雜組裝結(jié)構(gòu)和與之相對應(yīng)的宏觀性能。貝殼作為天然生物材料的一種，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的力學(xué)性能而受到材料研究和設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注。本文以天然生物材料加州扁鳥蛤貝殼為研究對象，利用金相顯微鏡、掃描電鏡、壓痕硬度計(jì)等分析、測試技術(shù)對該貝殼的微觀組織結(jié)構(gòu)、晶體成份、維氏顯微硬度、楊氏模量、壓痕韌性以及

2、微觀結(jié)構(gòu)與壓痕韌性的定量關(guān)系進(jìn)行了分析探討，為研究這種天然生物材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為提供可供參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　加州扁鳥蛤貝殼可以分為三個不同的部位:頭部、軀干和邊緣部位。通過對不同部位的縱切面的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，加州扁鳥蛤貝殼是一種具有層級結(jié)構(gòu)的材料，層級結(jié)構(gòu)分布于整個貝殼。在頭部，所有的區(qū)域都是交錯片層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)部到外部，交錯片層結(jié)構(gòu)不同序?qū)拥某叽?、文石板片之間的夾角等都有明顯的變化;在軀干部位，貝殼分為明顯的三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是

3、交錯片層結(jié)構(gòu)、中層是復(fù)雜的交錯片層結(jié)構(gòu)，而外層則是棱柱狀結(jié)構(gòu);在邊緣部位，從內(nèi)部到外部，文石板片的排列除了越來越疏松外，片層的方向也發(fā)生了明顯的偏折。加州扁鳥蛤貝殼的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。
　　通過對加州扁鳥蛤貝殼不同部位的X射線衍射數(shù)據(jù)分析可知，雖然XRD衍射峰的強(qiáng)度略有差別，加州扁鳥蛤貝殼三個部位的主要成分均為文石型碳酸鈣晶體。
　　對加州扁鳥蛤貝殼不同部位進(jìn)行了顯微硬度H和楊氏模量E表征發(fā)現(xiàn)，微觀結(jié)構(gòu)的類型

4、，不同結(jié)構(gòu)單元的尺寸、片層之間的夾角，以及載荷方向與文石板片取向之間的夾角等都影響著硬度和楊氏模量的分布。另外，通過對不同部位的硬度和楊氏模量的比值H/E，并且對比了軀干部位的H/E和壓痕韌性Kc發(fā)現(xiàn)，H/E越小，Kc越大。其中，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、片層排列最緊湊的復(fù)雜交錯片層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最優(yōu)異的力學(xué)性能，如最大的硬度、最大的楊氏模量和最小的H/E值（即最大的壓痕韌性）。
　　利用分形分析方法對加州扁鳥蛤貝殼壓痕產(chǎn)生的裂紋與壓痕韌性的關(guān)系進(jìn)