珍珠质力学行为的尺寸效应研究

作     者：梁思敏 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李小武

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：深海鹦鹉螺贝壳 浅水褶纹冠蚌贝壳 珍珠质 力学性能 尺寸效应 微观结构 物相组成 层间界面 纳米微凸体 

摘      要：经过数十亿年的进化,天然生物材料能够利用极其简单的组分,通过自组装的方式将强度极低的生物聚合物与韧性极差的矿物质,组合出综合性能优异的结构。其中,最典型的就是软体动物贝壳中的珍珠质。尽管珍珠质由～95 wt.%的碳酸钙组成,其跨越不同空间尺度的层级结构及各种韧化机制,使珍珠质能够同时具有较高的强度和较好的韧性,这些均是人造材料无法比拟的。因此,对珍珠质的微观结构与力学性能进行研究,能够为合成高性能的仿生材料提供有价值的参考。本论文以两种生活于不同水深的贝壳为主要实验材料,以探究水深是否会影响珍珠质的微观结构与物相组成,并设计实验以探讨样品尺寸及文石板片尺寸的差异等对珍珠质力学行为的影响,为仿生过程中对其进行合理调控提供参考,以进一步提高人造仿珍珠质材料的性能。通过对比两种生活于不同水深贝壳珍珠质的微观组织结构与物相组成发现,软体动物贝壳生活的水深对珍珠质钙化的基本过程没有影响,但对珍珠质文石板片的尺寸具有重要影响。实验结果表明,深海鹦鹉螺贝壳与浅水褶纹冠蚌贝壳的珍珠质均为文石晶型的CaCO3,与文献报道的珍珠质无机矿物相组成并无差异,而两者的板片尺寸差异明显。因此,尽管深海恶劣的生存环境导致珍珠质板片的沉积速率变慢,并使生活于深海的鹦鹉螺贝壳的珍珠质板片厚度更薄且等效半径更小,但对生物矿化的产物没有影响。通过对褶纹冠蚌贝壳不同厚度的珍珠质样品进行力学实验测试发现,珍珠质的力学行为呈现出明显的宏观尺寸效应。随着样品厚度的增加,弯曲强度逐渐增大,且当样品厚度达到某一特定值时,强度趋于稳定,而平均断裂功密度却随样品厚度的增加而持续增大。此外,随着样品厚度的增加,裂纹扩展路径由直接穿透板片变为沿着有机质界面扩展,导致样品失效模式由板片断裂变为板片拔出。通过对褶纹冠蚌贝壳及鹦鹉螺贝壳同种尺寸的珍珠质样品进行三点弯曲实验发现,珍珠质的力学行为表现出显著的微观尺寸效应。文石板片较薄的深海鹦鹉螺贝壳珍珠质的弯曲强度较浅水褶纹冠蚌贝壳提高了～42%,断裂功密度甚至达到浅水褶纹冠蚌贝壳的4倍,且在三点弯曲变形中,裂纹在文石板片较薄的鹦鹉螺贝壳珍珠质样品中主要沿着有机质界面偏转,而在文石板片较厚的褶纹冠蚌贝壳珍珠质样品中则直接穿透板片。由本论文提出的微裂纹模型可知,弯曲实验中珍珠质力学行为的宏观尺寸效应与微观尺寸效应均与层间界面数量的差异有关。层间界面数量越多,珍珠质的强度越高,韧性越好,但当其达到—定数量后,强度将趋于稳定甚至降低,而韧性却仍在增加,因而为设计与合成人造仿珍珠质材料的尺寸提供了重要的参考。通过对珍珠质文石板片表面纳米微凸体的分布密度与尺寸对其界面摩擦力大小的影响做定量分析表明,珍珠质文石板片间的摩擦力与纳米微凸体的分布密度及尺寸均呈正相关关系。与浅水褶纹冠蚌贝壳相比,深海鹦鹉螺贝壳的珍珠质板片表面存在更多的纳米微凸体,且尺寸更大,所以鹦鹉螺贝壳珍珠质板片间的摩擦力将远大于褶纹冠蚌贝壳板片间的摩擦力,此为鹦鹉螺贝壳力学性能优于褶纹冠蚌贝壳的重要原因之一。通过对比深海鹦鹉螺贝壳与浅水褶纹冠蚌贝壳的力学性能发现,软体动物贝壳经过亿万年的自然选择,已经进化出最能适应其生存环境的微观结构与力学性能。如深海鹦鹉螺贝壳珍珠质较浅水褶纹冠蚌贝壳珍珠质拥有更小的密度与更大的开口气孔率,将更有利于其浮游的生活习性;较小的弯曲强度分散性,薄弱点更少,将有利于其在压力更高的深海中存活而不至于内爆;更薄、更小的板片尺寸以及板片表面上存在的大量纳米微凸体等,有利于其获得更为优异的力学性能,从而有助于其在高压的深海中生存。因此,对天然生物陶瓷—珍珠质进行系统的研究,能够为合成力学性能更为优异的人造仿生材料提供新的设计思路。