几种腹足纲贝壳的结构和性能

论文摘要

自然界中一些天然生物材料的分级结构和优异性能为复合材料和陶瓷材料的仿生设计提供新的思路,研究其结构和性能是研制仿生材料的一个最基本的前提。贝壳作为天然生物材料的一种,由于其优异的力学性能而受到材料设计和研究者的关注。本文以大连地区特有的腹足纲的香螺贝壳及几种热带海螺贝壳(唐冠螺、黄米螺和蜘蛛螺)为研究对象,通过光学显微镜、扫描电镜、x射线仪和透射电镜等仪器观察了其无机相组成和微观组织结构;并对这几种贝壳中的有机蛋白质进行了提取分析;用差示扫描热分析仪(DSC)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)对香螺贝壳粉末的热行为进行了细致的研究;用三点弯曲、压缩和纳米压痕等方法对香螺和唐冠螺贝壳的力学性能进行了分析,并用有限元分析的方法对其力学性能进行了初步的模拟计算。最后对交错纹片结构的贝壳的结构和性能之间的关系进行了探讨。1.产自温带海域的香螺壳由方解石和文石两相构成,产自热带海域的黄米螺和唐冠螺及蜘蛛螺均由单一的文石相组成。香螺壳除胚壳由单一的文石相构成外,螺塔和体螺环部位都是由最外层方解石和两层或多层文石内层构成,壳口边缘只有一层方解石。方解石为柱状结构,文石层为交错纹片结构。黄米螺、唐冠螺的体壳都是由三层文石结构构成,蜘蛛螺由四层文石结构构成,其文石相的显微结构也为交错纹片结构。贝壳中的方解石和文石层均呈多级超微结构,微量的有机质在晶界和晶内呈不连续分布。2.在对不同处理状态贝壳的三点弯曲、压缩和纳米压痕等力学性能实验的对比中,发现在空气中加热后的贝壳力学性能较低,应用加热前后贝壳文石层中有机蛋白质分子和文石晶体界面处模型的变化,较好的说明了贝壳作为一种典型的天然生物材料,其性能不仅仅与贝壳独特的微观结构相关,与其中的有机质以及有机质和无机相之间的健合等因素也是相关的。3.对香螺贝壳纳米压痕的结果表明文石的弹性模量和硬度要高于方解石层,贝壳的性能和微观裂纹扩展与晶体类型以及晶体结构的排列方式是密切相关的。方解石层压痕四周均存在裂纹,其裂纹形状曲折、不规则且沿着方解石层的边界扩展,不抗裂纹扩展。文石压痕周围平直清晰,裂纹沿着其二级结构扩展。新鲜的贝壳其纳米压痕的变形功、硬度和模量要高于烘干以后的贝壳的变形功、硬度和模量,这与其三点弯曲的实验结果是一致的。4.采用三点弯曲、压缩、显微硬度、纳米压痕等几种实验方法表征贝壳的力学性能,对实验结果的综合分析后发现纳米压痕功与贝壳的纳米硬度以及弹性模量等力学性能指标有较好的对应关系,表明纳米压痕实验对于表征贝壳类天然生物材料的微/纳米尺度的力学性能比较合理。5.通过对不同生长期香螺贝壳文石板条特征尺寸和力学性能的比较,发现随着香螺贝壳生长期的增加,文石板条特征尺寸也在增大,香螺贝壳的强度、硬度和弹性模量等力学性能指标也在增大,其三点弯曲曲线的斜率呈现出增大的趋势,而且承载能力也表现出明显的增强。揭示了贝壳类天然生物材料的性能不同于传统工程材料尺寸越小,强度越高的准则,而是综合考虑结构、有机质等多因素作用的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 贝壳类材料的特点
• 1.3 贝壳类材料的研究成果
• 1.3.1 贝壳类材料的组成、结构及晶体取向
• 1.3.2 贝壳类材料中的有机质
• 1.3.3 贝壳类材料的力学特性及高韧性原理
• 1.4 模仿贝壳的结构和生物矿化过程
• 1.4.1 模仿贝壳结构研制仿生材料
• 1.4.2 模仿贝壳生物矿化过程
• 1.5 论文研究目的及研究内容
• 2 实验材料、实验方法及实验设备
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验材料的选用
• 2.2 实验设备、方法
• 2.2.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.2.2 组织结构分析
• 2.2.3 香螺贝壳的热重（TGA）和DSC
• 2.2.4 香螺贝壳的傅立叶变换红外光谱
• 2.2.5 香螺贝壳的热容
• 2.2.6 三点弯曲和压缩
• 2.2.7 纳米压痕
• 3 腹足纲贝壳的相组成和微结构
• 3.1 不同腹足纲贝壳的相组成和结构
• 3.1.1 香螺壳的相组成和组织结构
• 3.1.2 三种热带海域腹足纲贝壳的相组成和组织结构
• 3.2 香螺贝壳不同部位的相组成和组织结构
• 3.2.1 香螺壳的胚壳部位的结构
• 3.2.2 香螺壳的螺塔部位的结构
• 3.2.3 香螺壳的壳口边缘部位的结构
• 3.3 不同生长期香螺贝壳的组织结构分析
• 3.4 贝壳生长机理及其影响因素
• 4 唐冠螺和香螺贝壳的力学性能
• 4.1 唐冠螺和香螺贝壳的三点弯曲力学性能
• 4.1.1 唐冠螺贝壳在不同加载速率的三点弯曲力学性能
• 4.1.2 不同处理状态的唐冠螺贝壳力学性能
• 4.1.3 不同生长期香螺贝壳的三点弯曲
• 4.2 唐冠螺贝壳的压缩实验
• 4.3 贝壳的纳米压痕和显微硬度性能
• 4.3.1 腹足纲贝壳的纳米压痕和显微硬度
• 4.3.2 香螺贝壳的纳米压痕性能和机制
• 5 贝壳结构和性能关系的探讨
• 5.1 加热前后香螺贝壳文石层粉末傅立叶变换红外光谱
• 5.2 香螺贝壳中有机蛋白质的提取和分析
• 5.3 贝壳的热容对力学性能的影响
• 5.4 贝壳结构和性能的有限元模拟
• 5.5 贝壳结构的增韧机制和有机质的作用机制
• 5.5.1 贝壳结构对力学性能的影响
• 5.5.2 贝壳的有机-无机界面模型
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢