双壳类贝壳微结构强韧机理研究

双壳类贝壳微结构强韧机理研究

贝壳是具有很好断裂强度和断裂韧性的自然生物复合材料。贝壳优良的力学性质和它内部优良的微结构密切相关,对其微结构的深入研究将可能揭示其强韧的机理,为人造高性能复合材料提供有益的指导。

对双壳类贝壳的扫描电镜(SEM)观察显示它是一种由细片状无机霰石和有机胶原蛋白组成的生物陶瓷复合材料。观察也发现在这种贝壳中存在以下几种典型的霰石片形貌及独特的铺层结构:(1)霰石片纤维交错铺层;(2)弯曲霰石纤维片;(3)大端霰石纤维;(4)纤维螺旋铺层。

通过建立这些霰石片及铺层微结构模型,采用复合材料细观分析方法、有限元方法计算和纤维拔出理论等分析研究了这些典型微结构的强韧机理,得到以下结论:①纤维交错铺层结构中的纤维重叠比和长细比对复合材料的力学性能有较大的影响。贝壳采用霰石片纤维交错铺层结构以及采用合理的纤维重叠比和长细比显著提高了贝壳生物陶瓷复合材料的强韧性。

②贝壳采用弯曲的霰石纤维片,并采用大的弯曲纤维片的长度和小的曲率半径提高了纤维片的拔出阻力,从而提高了贝壳的断裂韧性。③贝壳采用大端纤维来增加霰石片纤维的拔出力,从而显著增强材料的断裂韧性和断裂强度。

④贝壳采用霰石纤维螺旋铺层结构,此结构比纤维平行铺层结构有更好的抗拉出能力,从而显著提高了贝壳复合材料的断裂韧性。⑤弯曲霰石片比平直的霰石片有更好的抗压性能,霰石片交错铺层结构也能有效地分散集中力,从而减小复合材料内部的最大应力。

通过以上的分析研究,更进一步地认识到了贝壳自然生物复合材料微结构的强韧机理,为高性能人工陶瓷复合材料的仿生设计提供了有益指导。