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层状生物贝壳材料的结构表征与断裂行为研究

杨文  
【摘要】:由于生物贝壳材料具有一些独特的力学性能(如:高强度、高韧性),对贝壳的各种基础性研究及其仿生应用已经引起了研究者的极大关注。本文选择产自中国大连海域的紫石房蛤贝壳作为研究材料,对其显微结构、基本力学性能和疲劳断裂进行了综合研究和分析,希望为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,同时丰富人们对贝壳这一天然生物材料独特断裂行为的认识。 本论文首先对紫石房蛤贝壳的不同层面以及横切面进行了微观表征。结果表明,紫石房蛤不同部位的显微结构存在差异,其中外层、中层为层状结构,内层为交错纹片结构。在横切面上的金相观察显示,各层纹路并不是成直线平行排列的,而是有一定偏转角度。越靠近内层,纹路的偏转角度越大。 在贝壳不同部位进行显微硬度实验表明,贝壳的显微硬度存在明显的各向异性,这与其组成相以及显微结构密切相关。内层的硬度明显高于外层的硬度,横截面的硬度值明显要高于表面的硬度。 三点弯曲实验结果表明,贝壳不同位置的弯曲强度存在差异,这与贝壳中的碳酸钙沉积分布不同密切相关。根据贝壳自身分泌和自然沉积碳酸钙的特点可知,碳酸钙沉积更易在贝壳边缘发生,导致其弯曲强度明显比中间的部分要大很多。贝壳的断裂形式多样,断裂路径与在贝壳上的取样位置紧密相关。一般来说,在开裂过程中层与层之间的过渡越突然,强度就越小。对断口表面的扫描电镜(SEM)观察发现,断裂具有明显的层状开裂特点,有些层与层之间存在“薄弱界面”,能引起贝壳的快速开裂。 最后测试了贝壳这种脆性材料的三点弯曲疲劳寿命。如:在加载频率f=30 Hz,应力比R=0.1,最大外加载荷σmax=81.5 MPa的条件下,测得贝壳疲劳的寿命为5.37×106周次。疲劳断口的SEM观察表明,疲劳断裂发生过程相对复杂,例如断口表面的台阶状花样明显,出现较多的断裂“小碎块”等。这些初步结果为进一步研究其疲劳变形行为打下基础。


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