贝壳材料的结构特征和力学性能分析

发布时间：2020-05-31 21:56

【摘要】：贝壳由大量的CaCO_3和微量的有机质组成的天然有机一无机复合材料,由于其具有优异的力学性能,而受到材料设计和研究者的关注。本文综述了贝壳生物矿化的研究进展及其仿生应用程度,并对腹足纲的香螺、黄米螺和粗瘤凤凰螺贝壳的无机相组成、显微结构和晶体学取向以及黄米螺的力学性能进行了分析和研究。希望为贝壳生物矿化理论的完善以及人工合成高性能的复合材料提供一定的实验数据和理论依据。研究结果总结如下: 产自温带海域的香螺壳由方解石和文石两相构成,产自热带海域的黄米螺和粗瘤凤凰螺均由单一的文石相组成。香螺壳除胚壳由单一的文石相构成外,螺塔和体螺环部位都是由最外层方解石和两层或多层文石内层构成,壳口边缘只有一层方解石。方解石为柱状结构,文石层为交错纹片结构。黄米螺和粗瘤凤凰螺的体壳都是由三层文石结构构成,其文石相的显微结构也为交错纹片结构。贝壳中的方解石和文石层均呈多级超微结构,微量的有机质在晶界和晶内呈不连续分布。 DSC分析结果表明在一定温度区间内贝壳中的方解石和文石层内的结合水脱除;不同相中有机质降解的温度区间不同,方解石层中的有机质的降解温度较文石层中的有机质降解温度低.贝壳中的文石相在结合水和有机质的“调和”作用下,其相转变温度与天然文石相比下降了很多。 XRD分析结果表明三种海螺壳的各个层面都存在晶体学择优取向,而且海螺壳的晶体择优取向与曲率有一定的关系,曲率大的部位的文石晶体的主择优取向度减小。贝壳的力学性能表现出明显的各向异性。显微硬度测试结果表明各层的显微硬度与其组成相及显微结构密切相关。其中方解石层的硬度明显低于文石层的硬度,二者的截面硬度值明显高于各自的层面硬度。力学实验结果表明,垂直层面方向的承载能力明显高于平行于层面方向的承载能力,平行于轴线方向(纵向)的承载能力要高于垂直轴线方向(横向)。贝壳的力学性能远远高于天然CaCO_3,源于其特殊的结构,贝壳的这种优异的力学性能与其中的微量有质基机的存在是密不可分的。
【图文】：

纵剖面图,纵剖面,有机基质,珍珠层

珍珠层组成的95%体积分数是文石型碳酸钙，其余是由蛋白质和多糖构成的有机基质和水，珍珠层中文石晶体成多边形，并且与有机基质交叉叠层堆垛成有序的层状结构。图1为双壳类软体动物的壳结构示意图[’3]。

HRTEM图像,纳米多层膜,珍珠层,文石

和破裂能三方面进行研究，发现其杨氏模量仅为60一70GPa，与玻璃相当，但其抗张强度和破裂能分别达到140一17OMPa和350~124OJ/m，，均远超过无机文石的特性。其变形方式如图1一3所示[]l。根据研究结果，珍珠层优异力学特性主要来源于以下因素:图l一3珍珠层的变形方式F19.1·3Deofrmationofnaere1)裂纹偏转及纤维拔出的作用。当珍珠层沿垂直文石层面断裂时，，由于有机基质的强度相对较弱，在有机/无机界面上易于诱导产生裂纹的频繁偏转，造成裂纹扩展路径的增长，从而使裂纹扩展过程吸收了更多的能量，而且导致裂纹从应力有利状态转为不利状态，增大了扩展的阻力，提高了材料的韧性。在珍珠层的形变和断裂过程中，裂纹偏转的同时经常伴随着纤维拔出作用的发生(珍珠层中的纤维是指文石板片)
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TB321

【引证文献】