贝壳高刚度及高强度的微结构机理

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1、第40卷增刊1稀有金属材料与工程Vol.40,Suppl.12011年6月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGJune2011贝壳高刚度及高强度的微结构机理11111,2陈斌，尹大刚，袁权，罗吉，范镜泓(1.重庆大学，西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400044)(2.DivisionofMechanicalEngineering,AlfredUniversity,Alfred,NY14802,USA)摘要：基于对贝壳微结构的观察，选取贝壳及文石纤维

2、的代表性体积单元，利用复合材料细观力学和断裂力学的基本原理和准则，分析了文石纤维微结构特征使贝壳获得高刚度及高强度的机理。结果表明文石纤维在贝壳中的大体积分数使贝壳具有高的变形刚度，而它们的小尺寸直径又使得贝壳具有高的断裂强度。关键词：贝壳；文石纤维；微结构；刚度；强度中图法分类号：TB324文献标识码：A文章编号：1002-185X(2011)S1-069-04大部分的自然生物材料，如哺乳动物的骨、软体仿生陶瓷复合材料研究已取得了许多研究成果。[2]动物的壳以及昆虫的外甲壳等都具有相当好的物理和

3、Sarikaya等研究了贝壳珍珠层的层状微结构，制成了机械性质以及生物学方面的良好兼容性及自修复能陶瓷/聚合物和陶瓷/金属仿珍珠层复合材料。李恒德[10]力。自然生物材料的优良性质及特殊功能可能远远超等对贝壳珍珠层晶体结构进行了分析，仿生制备出[1][11]过具有类似成分及构成的人造材料，其原因是自然具有纳米量级的介孔氧化锰材料。黄勇等基于贝壳生物材料被自然界从分子到纳米、微米的各个尺度上层状结构特征，采用轧膜或流延成型工艺，制备出具优化，形成了在形状、尺度及分布等各方面优化的微有优良力学性能的仿

4、生Si3BN层状陶瓷复合材料。除[2,3]结构。近年来，人们已经认识到对经历若干世纪选了贝壳的层状微结构以外，贝壳中也存在其它多种优[7-11]择进化的自然生物材料各层次微结构的研究，将会使良微结构，正是这些多种优良微结构的存在，使人类加深对自然生物材料优良性质的内在机理的认识贝壳具有优良的综合力学性能。对贝壳多种优良微结和理解，进而对人造高性能材料的设计和制备提供重构的深入研究，对发展高性能陶瓷及陶瓷复合材料具[4,5]要指导。有重要意义。本研究利用扫描电镜观察了文哈贝壳的自然界中的贝壳是一种典

5、型的自然生物陶瓷复合微结构，结果显示它是一种由无机文石纤维和有机胶材料。经过若干世纪的选择进化，贝壳具有了强韧皆原质组成的生物陶瓷复合材料。无机文石纤维在此复备的优良力学性质。研究表明，尽管贝壳是由脆性的合材料中具有大的体积分数和细小的直径。根据在贝无机碳酸钙物质（占95%～99%）和有机胶原质（占壳中观察到的文石纤维的这些微结构特征，利用力学1%～5%）复合而成，它的断裂韧性却能达到普通纯原理进行了微结构与贝壳优良力学性能因果关系的调[1]碳酸钙物质断裂韧性的3000倍。贝壳优良的力学性查和分析

6、。质归因于其内部无机碳酸钙物质和有机胶原质的微结[5-7]1贝壳的扫描电镜观察构形状、尺寸、分布及组合关系。对贝壳微结构的深入研究，将可能获得高强韧性新型陶瓷复合材料设在本研究中考察的贝壳是一种文哈贝壳（图1）。计的有益启示，减小现有陶瓷材料的脆性及发展新型首先采用扫描电镜对此贝壳的微结构进行多尺度及多[8-11]高性能仿生陶瓷复合材料，满足各个领域对新型角度的实验观察。扫描电镜试样的制备步骤是：（1）高性能陶瓷及陶瓷复合材料的迫切需求。将贝壳置于烘箱内干燥4h，然后用机械的方法使其沿不同的贝壳因

7、其种类以及其生存环境等的不同，不同的方向断裂，得到最大尺寸约为5mm的试样；[1-4]其微结构可能存在显著差异，但大多数贝壳具有层（2）将得到的试样用专用导电胶布粘贴固定在金属试[3-6]状微结构的结构特征。近年来对贝壳层状微结构及样盒中，用KYKY-203离子溅射仪在其表面喷涂约10收稿日期：2012-02-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（10872221,50621403）作者简介：陈斌，男，1956年生，教授，博导，重庆大学资源及环境科学学院，重庆400044，E-mail:bche

8、n@cqu.edu.cn·70·稀有金属材料与工程第40卷图1文蛤贝壳图3文石层中的文石纤维Fig.1UniodouglasiaeshellFig.3Aragonitefibersinaragonitelayersnm厚的金钯涂层。试样制好后将其放入Amary贝壳代表性体积单元，建立复合材料细观模型，然后KYKY-1000B扫描电镜中，保持电压为20kV，在放通过细观复合材料力学的理论，证明文石纤维的大体大倍数为20－12000下对其多尺度微结构进行扫描电积分数，使贝壳具有高弹性模