鸡喙微结构的韧性机理研究

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1、鸡喙微结构的韧性机理研究摘要：指出了鸡喙是一种大自然中常见的复合材料，具有高强度、刚度以及断裂韧性等优越力学性能。鸡喙的优异力学性质密切相关于鸡喙内部的优良微结构。利用扫描电镜(scanningelectronmicroscope,SEM)对鸡喙内部的微结构进行了观察，发现鸡喙由坚固的骨外壁和多孔的内部蜂窝结构组成，其大的断裂韧性等力学性能优点主要来自于坚固的骨外壁。对骨壁的观察显示其是一种主要由胶原蛋白和羟基磷灰石构成的复合材料。疑基磷灰石在鸡喙内部呈层状并以平行于外表面的方式排列。而这些轻基磷灰石层又是由无数的扁平疑基磷灰石片平行堆叠而成。基于扫描电镜观察到的结构，通过

2、建立相似的片状堆叠模型并进行了力学行为分析，研究了鸡喙力学行为与耗基磷灰石片形态之间的关系。结果表明：拜基磷灰石扁平的形状和平行的排列结构对鸡喙的断裂韧性具有非常显著的增强效果。关键词：鸡喙；层状微结构；疑基磷灰石片；拔出力中图分类号：R318.08文献标识码：A文章编号：16749944(2017)100166041引言哺乳?游铜墓恰16•□婵且约叭陕宥？物的甲等口然生物材料都具有极好的机械和物理性质以及良好的牛物修复能力。自然牛物材料与成分或者结构类似的仿制复合材料相比在特定功能和性能方便存在诸多优势[1],原因在于天然的牛物材料在亿万年的物竞天择中已经被自然界在分子、

3、纳米和微米的各个尺度上进行了优化，形成了人们如今观察到的在形状、尺度及分布等各个方面得到极大优化的微观纳米结构［2］,对自然生物材料的功能及力学行为与材料微观结构之间关系的深入研究，对于高性能仿生复合材料的研发和应用具有重要指导意义［3］o喙作为禽类获取食物和自卫的主要工具，它具有高强韧等优越的力学性能。鸡更是家禽的重要一员，材料易获取，这里通过对鸡喙的微观结构力学行为分析来进行此类材料的探索。骨盐、有机物质以及少量水分为鸡喙的主要组成物质［4］。骨盐在鸡喙中主要以轻基磷灰石晶体的形式存在，主耍成分为磷酸钙和碳酸钙，除此之外还有少量的无定形磷酸钙混合物。疑基磷灰石品体分子式

4、为CalO(P04)3(OH)2,鸡喙中的径基磷灰石长度随年龄增长发生扩展［5,6］o鸡喙具有高强度和高刚度的特点主要是由于骨盐的大量存在［5］。鸡喙屮的有机物质包含各种胶原蛋白、氨基多糖和糖蛋白物质，其中胶原蛋白为主要组成部分［5］。骨胶原主要为I型胶原，它在成分和分子结构方面与皮肤、肌腱等组织中存在的胶原类似［5,7］。骨胶原的存在及其与骨盐交叉结合的方式是鸡喙具有高断裂韧性的重要原因。在木研究中利用扫描电镜对鸡喙微结构进行了细致的观察，结果显示它是由轻基磷灰石在骨胶原蛋白的粘合下形成的天然层状生物复合材料。根据观察到的鸡喙内部存在的轻基磷灰石片的微观结构特征，通过对建

5、立的微观结构模型进行力学行为分析，考察与鸡喙断裂韧性密切相关的、具有平行微结构分布及圆而薄的形状的疑基磷灰石片的最大拔出力。结果表明鸡喙疑基磷灰石片圆而薄的形状以及平行排列方式使鸡喙在外载荷作用下产牛断裂时具有更大的拔出力，这使鸡喙具有了较高的断裂韧性和强度。2试验材料和方法不同种类鸡的喙在微观结构上具有一定的差异，并且与鸡喙的骨龄也有一些联系［8,9］。在此研究中采用的是成年鸡的喙（图la）,所以本研究所观察到的微观结构并不是对于所有的鸡喙都具有代表性。通过以下步骤制备鸡喙的扫描电镜试样：①将从市场购买的鸡喙表皮进行清理，用酒精清理表血并在DZF-6000真空干燥箱中进行

6、干燥。②在横向和纵向分别取不同的，大小约为5mm的式样。将试样通过导电胶固定在标准样品台上。③用KYKY-203离子溅射仪以每10s喷一次，共计4次的方式喷涂一层金耙图层。④利用TESCANVEGAIILUM型扫描电镜，在20-1100倍放大倍数内对试样进行观察。3观察结果及讨论从图2可见鸡喙的微观结构是由一种疑基磷灰石和胶原蛋白组成的，其屮轻基磷灰石呈平行于鸡喙表面的形态层状排列，少量的有机物质胶原蛋白在层间起粘合作用。进一步放大并观察疑基磷灰石侧向结构，疑基磷灰石片为纤薄的圆形片，厚度大约只有几十纳米，而其横向尺寸则较大（图3）。通过对试样切面的方向和照片进行对比发现，

7、这些圆而薄的羟基磷灰石片与其所在层为垂直关系，并按照平行的方式排列。这种排列方式下，鸡喙最大主应力方向与疑基磷灰石片的直径方向一致，轻基磷灰石片能够更好的发挥承载作用。4基于耗基磷灰石片建立的圆片模型拔出力分析复合材料的断裂韧性会随增强相的拔出能的增加而增加。试验仿照电镜拍摄的瓮基磷灰石层的堆叠方式建立模型，然后对模型进行力学理论分析来研究鸡喙中瓮基磷灰石片圆而薄的层状结构的最大拔出力。首先对羟基磷灰石层中的单片軽基磷灰石片拔出模型进行观察与分析（图4）。假设在一排轻基磷灰石片屮将其屮一片进行拔出，将鸡喙圆形的轻基