国内外贝壳层状结构研究现状.DOC

吉林大学硕士研究生论文开题报告 文蛤贝壳层状结构及其性能研究 Study on layered structure of shells of clams and Properties 学生姓名：指导教师：报告时间：200年月贝壳作为软体动物的防护装备，主要功用是抗压，防止壳体受损，以致伤及身体。到目前为止，在科学家们已经研究过的上百种贝壳中，共发现了7种贝壳微结构，即柱状珍珠母结构、片状珍珠母结构、簇叶结构、棱柱结构、交叉叠片结构、杂交叉叠片结构和均匀分布结构。在上世纪的70年代，英国雷丁大学的J·D·Currey教授和他的合作者们对这7种微结构的力学性能进行了较为系统的实验研究，结果发现，珍珠母作为一般贝壳中最内层材料，它的力学性能是这7种结构中最好的，尤其在材料的强韧性上表现最为突出。例如，珍珠母所具有断裂功大约是作为它基本成分的碳酸钙晶体的断裂功的3000倍。近年来，生物材料微结构及其仿生设计研究得到了多数发达国家的高度重视。从上世纪90年代以来，美国和英国军方设立专项经费，开展针对贝壳等微结构及其性能的材料仿生设计研究，以期用于增强军方装甲的抗穿击能力。随后，日本、德国、法国等国也相继开展了类似的研究工作。有报道称，到目前为止，美国陆军现用“仿贝壳材料”的装甲已在原来装甲性能上提高了近30倍，但是如果能完全仿照珍珠母的微结构，从理论上说，装甲性能还可以再提高上百倍。我国也正积极展开材料的仿生设计及其相关领域的研究，并已获得了一些很好的成果，其中部分领域甚至达到国际前沿水平。但是总的说来，世界上对材料微结构及其仿生的研究仍处于一个相当初级的阶段。就生物材料本身的研究而言，无论是对微结构，还是对相关力学性能的研究仍然是很不成熟的。特别是对于在生物材料领域中研究最广泛、最深入的贝壳材料而言，是否还存在其他形式的微结构，贝壳宏观性能与其微观结构相对的关联机制是什么等，还存在着很多问题。比如目前面临的最大难题就是如何将陶瓷层厚度减小到尽可能小的尺度，甚至纳米级，如果突破这个难关，强度及韧性则会得到大幅提升。尽管如此，我们仍然可以毫不夸张地说，贝壳是结构和物性完美结合的产物，是大自然献给人类宝贵的物质财富craekde fleetion) 裂纹偏转是珍珠层中最常见到的一种裂纹扩展现象，尤其当裂纹垂直于文石层扩展时，这一现象更为明显。裂纹首先沿着文石片层间的有机层扩展一段距离，然后发生偏转，穿过文石层，再一次偏转进入与之平行的另一有机层。这种裂纹的频繁偏转必然导致材料韧化。主要有两个原因:首先，与直线扩展相比，裂纹的频繁偏转造成扩展途径的延长，从而吸收的断裂功增加;其次，当裂纹从一个应力状态有利的方向转向另一个应力状态不利的方向扩展时，将导致扩展阻力的明显增加，从而引起外力增加，材料因而韧化[7] 2.2.2纤维的拔出(platelet pullout) 裂纹偏转的同时常常伴随着纤维的拔出(“纤维”就是文石片)，这是增韧的另一个机理。断裂主要沿垂直于文石层的界面发生，而平行于文石层的界面则保持紧密接触。于是，有机基体与文石层之间的粘接力和摩擦力将阻止裂纹的进一步延伸，从而使断裂所需的能量提高，使材料韧性提高[8]。 2.2.3有机质的桥连(organic matrix bridging) 有机质虽然仅占壳重的5%左右，但其在贝壳增韧中起到了不可替代的作用，有机基体桥接在人工合成陶瓷的复合材料中是不存在的。在珍珠层形变和断裂的过程中，有机基体与相邻的文石层彼此粘合。在有机相与文石片之间存在着较强的界面，从而增大了相邻文石层之间的滑移阻力，也增强了纤维拔出的增韧效果。从另一方面来说，有机基体就像座桥一样连接着彼此隔开的文石层，降低了裂纹尖端的应力场强度因子，增强了裂纹扩展阻力，从而提高了材料的韧性[9] 2.2.4矿物桥的作用(mineral bridging) 1997年，Schaffe:等[10]首次提出了矿物桥理论，后来Song等[[11]证实了此理论，并用统计的方法计算出矿物桥的总面积约占文石板片总面积的1/6。在有机质中可以直接观察到矿物桥及纳米尺寸的孔的存在，纳米孔((5nm-50nm)是由于矿物桥被拉出而形成的。矿物桥对珍珠层的整体力学性能的影响也是不可忽略的。在珍珠层的断裂过程中，由于矿物桥和纳米孔的存在及其位置的随机性，加强了裂纹扩展的偏转作用。在裂纹穿过有机基质后，由于有机基质和矿物桥的作用，上下文石片间仍然保持着紧密连接，除有机相和文石结合力和摩擦力将阻止晶片的拔出外，要拔出晶片必须先剪断晶片上所有的矿物桥，这样使得断裂所需的能量增加，进一步提高了韧性。 2.3贝壳中的有机质 贝壳中有机质的含量仅有5％（质量比），对贝壳的机械性能起着重要的作用。贝壳中的碳酸钙占总重量的99％，还有1％