幾種腹足綱貝殼的結(jié)構(gòu)和性能.pdf

1、自然界中一些天然生物材料的分級(jí)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能為復(fù)合材料和陶瓷材料的仿生設(shè)計(jì)提供新的思路，研究其結(jié)構(gòu)和性能是研制仿生材料的一個(gè)最基本的前提。貝殼作為天然生物材料的一種，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能而受到材料設(shè)計(jì)和研究者的關(guān)注。本文以大連地區(qū)特有的腹足綱的香螺貝殼及幾種熱帶海螺貝殼(唐冠螺、黃米螺和蜘蛛螺)為研究對(duì)象，通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、x射線儀和透射電鏡等儀器觀察了其無(wú)機(jī)相組成和微觀組織結(jié)構(gòu)；并對(duì)這幾種貝殼中的有機(jī)蛋白質(zhì)進(jìn)行了提取分析；用差

2、示掃描熱分析儀(DSC)和傅立葉變換紅外光譜(FTIR)對(duì)香螺貝殼粉末的熱行為進(jìn)行了細(xì)致的研究；用三點(diǎn)彎曲、壓縮和納米壓痕等方法對(duì)香螺和唐冠螺貝殼的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并用有限元分析的方法對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了初步的模擬計(jì)算。最后對(duì)交錯(cuò)紋片結(jié)構(gòu)的貝殼的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。 1.產(chǎn)自溫帶海域的香螺殼由方解石和文石兩相構(gòu)成，產(chǎn)自熱帶海域的黃米螺和唐冠螺及蜘蛛螺均由單一的文石相組成。香螺殼除胚殼由單一的文石相構(gòu)成外，螺塔和體螺

3、環(huán)部位都是由最外層方解石和兩層或多層文石內(nèi)層構(gòu)成，殼口邊緣只有一層方解石。方解石為柱狀結(jié)構(gòu)，文石層為交錯(cuò)紋片結(jié)構(gòu)。黃米螺、唐冠螺的體殼都是由三層文石結(jié)構(gòu)構(gòu)成，蜘蛛螺由四層文石結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其文石相的顯微結(jié)構(gòu)也為交錯(cuò)紋片結(jié)構(gòu)。貝殼中的方解石和文石層均呈多級(jí)超微結(jié)構(gòu)，微量的有機(jī)質(zhì)在晶界和晶內(nèi)呈不連續(xù)分布。 2.在對(duì)不同處理狀態(tài)貝殼的三點(diǎn)彎曲、壓縮和納米壓痕等力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)在空氣中加熱后的貝殼力學(xué)性能較低，應(yīng)用加熱前后貝殼文石

4、層中有機(jī)蛋白質(zhì)分子和文石晶體界面處模型的變化，較好的說(shuō)明了貝殼作為一種典型的天然生物材料，其性能不僅僅與貝殼獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)，與其中的有機(jī)質(zhì)以及有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)相之間的健合等因素也是相關(guān)的。 3.對(duì)香螺貝殼納米壓痕的結(jié)果表明文石的彈性模量和硬度要高于方解石層，貝殼的性能和微觀裂紋擴(kuò)展與晶體類型以及晶體結(jié)構(gòu)的排列方式是密切相關(guān)的。方解石層壓痕四周均存在裂紋，其裂紋形狀曲折、不規(guī)則且沿著方解石層的邊界擴(kuò)展，不抗裂紋擴(kuò)展。文石壓痕周圍平

5、直清晰，裂紋沿著其二級(jí)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展。新鮮的貝殼其納米壓痕的變形功、硬度和模量要高于烘干以后的貝殼的變形功、硬度和模量，這與其三點(diǎn)彎曲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。 4.采用三點(diǎn)彎曲、壓縮、顯微硬度、納米壓痕等幾種實(shí)驗(yàn)方法表征貝殼的力學(xué)性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析后發(fā)現(xiàn)納米壓痕功與貝殼的納米硬度以及彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明納米壓痕實(shí)驗(yàn)對(duì)于表征貝殼類天然生物材料的微/納米尺度的力學(xué)性能比較合理。 5.通過(guò)對(duì)不同生長(zhǎng)期香螺