海膽牙齒ST區(qū)納米結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及變形機制的研究.pdf

1、經(jīng)過上億年的進化，生物體制備出了各種各樣的生物礦物用以實現(xiàn)不同的生理學(xué)功能。其中一個具有代表性例子就是海膽牙齒。雖然海膽牙齒的主要成分為脆性碳酸鈣，但是海膽牙齒精心設(shè)計的多級結(jié)構(gòu)賦予了它極其優(yōu)異的耐磨性能。揭示海膽牙齒的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系可以為設(shè)計高性能人工材料提供新的思路。
　　本文首先利用X射線衍射（XRD）、熱重分析（TGA）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和維氏硬度儀對海膽牙齒的組成、多級結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行

2、了研究。結(jié)果表明：海膽牙齒是一個天然的有機-無機復(fù)合材料。沿海膽牙齒的T型橫截面可以將其分為PP區(qū)、SP區(qū)、ST區(qū)和K區(qū)四個部分。每個部分的微結(jié)構(gòu)和硬度都存在較大的差異。其中ST區(qū)具有纖維增強的結(jié)構(gòu)特征，且硬度最高。
　　利用透射電子顯微鏡對ST區(qū)納米結(jié)構(gòu)的觀察顯示，ST區(qū)中纖維和基體都呈現(xiàn)出單晶的衍射特征并具有近乎相同的晶體學(xué)取向。然而，進一步的分析卻表明，纖維是一個完整的單晶，而基體則是由眾多取向高度一致的納米顆粒所構(gòu)成的介觀

3、晶體。更有趣的是，纖維和基體由眾多單晶納米條帶相連接。這些納米條帶在ST區(qū)的礦化過程中可能起到了取向傳遞的作用，同時對維持海膽牙齒結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性做出了重要的貢獻。
　　隨后，本文利用納米壓痕儀和掃描電子顯微鏡研究了ST區(qū)的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，在基本保留地質(zhì)方解石彈性回復(fù)性能的同時，海膽牙齒顯示出更加優(yōu)異的抗穿刺性和耐磨性。對比海膽牙齒、人牙釉質(zhì)和貝殼珍珠質(zhì)的力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能可知，海膽牙齒的硬度、彈性模量及耐磨性