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紫石房蛤贝壳力学性能的研究

作　者: 杨文
导　师: 晁月盛；李小武；张广平
学　校: 东北大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 生物贝壳双壳类紫石房蛤微结构硬度压缩弯曲疲劳强度断裂
分类号: Q811.6
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

天然生物材料在经历大自然的选择后,其结构和功能不断优化,使之适应自然的能力趋于完美,而实际工程结构材料往往难以达到生物材料所具备的优异性能。因此,揭示天然生物材料的结构和性能显然对实际工程材料结构和性能的改进具有重要的指导意义。本论文工作选取大连海域的双壳纲贝壳紫石房蛤为研究材料,对其结构和力学性能,包括硬度、压缩、弯曲以及疲劳性能等进行系统的表征和分析,重点考察了各种力学性能在贝壳上的分布以及产生该分布的原因,分析讨论了贝壳的疲劳强度与断裂强度之间的关系。紫石房蛤贝壳的结构为分层结构,在厚度上分内、中、外三层,X射线数据显示这三层均为文石晶型的碳酸钙。根据贝壳各层结构形貌,构建了其整体结构示意图。贝壳外层是不含有机质的多孔块状结构,中层和内层是含有少量有机质的交错层状结构,相同取向的薄片(厚度约为200—-500 nm)构成了交错层状结构单元—“域”,其宽度约为20-80μm,相邻“域”中的薄片之间互成一定的角度。与紫石房蛤贝壳各层的结构特点密切相关,其外层的硬度较低,而中层和内层的硬度相差不大,均明显高于外层硬度。利用新设计的方法对压痕的横截面进行表征发现,硬度测试造成贝壳内部结构的损伤程度不仅与载荷的大小有关,还与载荷和结构中薄片之间的取向有关,当载荷垂直压入交错薄片表面时,贝壳内部结构损伤较严重。另外,通过硬度测试估算贝壳的断裂韧性约为2.21 MPa.m1／2。对干、湿两种状态的样品以不同加载方式进行压缩实验。结果发现,与干样品相比,湿样品的模量较高,抗压强度较低；当外加载荷以垂直于贝壳外表面方向加载时,湿样品的抗压强度略高于平行于贝壳外表面加载所得的湿样品强度。对干样品的压缩应力—应变曲线及断裂路径分析发现,曲线上台阶的出现对应了样品中裂纹的产生。台阶的连续出现意味着裂纹扩展阻力的增加、断裂强度提高。压缩实验结果的Weibull统计分析表明,湿样品抗压强度(72 MPa)与干样品(73 MPa)相比相差不大；垂直于贝壳样品外表面加载时的抗压强度(87 MPa)大于平行于贝壳外表面加载时的抗压强度(61 MPa)。分别对干、湿两种状态样品的三点弯曲力学行为进行研究,其结果表明,贝壳的生长方式特点导致贝壳边缘的弯曲强度高于贝壳内部的弯曲强度,外套膜位置附近干样品的弯曲曲强度较低,湿样品的弯曲强度较高,其它位置于样品的弯曲强度高于湿样品。相同状态样品的断裂能密度与弯曲强度在贝壳上分布的趋势一致,而弹性模量在贝壳上分布的规律性不明显,但干样品的弹性模量比湿样品的略大。贝壳样品的弯曲断裂路径主要受贝壳结构中的薄弱片层以及片层之间的薄弱界面的影响,另外,贝壳中闭壳肌等肉体组织对该位置样品的断裂路径也有一定的影响。Weibull统计分析结果表明：当断裂几率为50%[P(V)=0.5]时,同种贝壳干样品的弯曲强度(98 MPa)比湿样品的值(91MPa)略高。提出了疲劳强度的预估计方法,使贝壳样品高周弯曲疲劳测试的成功率大大提高。般来说,绝大部分样品的疲劳强度低于平均弯曲强度,疲劳寿命低于106周次。疲劳样品断裂路径明显的"zig-zag"模式和疲劳样品断口表面连续出现的小台阶形貌均表明,样品是逐渐发生疲劳断裂的。疲劳强度的Weibull统计分析结果表明：当断裂几率为50%[P(V)=0.5]时,干样品的疲劳强度为85 MPa,比静态弯曲强度(98 MPa)略低。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-45
  1.1 生物材料的研究背景  13-16
  1.2 软体动物贝壳的形成  16-21
    1.2.1 软体动物贝壳的无机相  16
    1.2.2 软体动物贝壳的有机基质  16-18
    1.2.3 软体动物贝壳的生长  18-21
  1.3 软体动物贝壳的层次结构  21-24
    1.3.1 概述  21-23
    1.3.2 鲍鱼壳的珍珠层结构  23
    1.3.3 海螺壳的交错层状结构  23-24
  1.4 软体动物贝壳的力学性能  24-29
    1.4.1 国内外的研究进展  24-27
    1.4.2 珍珠层的韧化机制  27-29
  1.5 软体动物贝壳材料的仿生应用  29-31
  1.6 本论文的主要内容、目的和意义  31-34
  参考文献  34-45
第2章紫石房蛤贝壳的结构表征  45-65
  2.1 引言  45-46
  2.2 实验材料及实验方法  46-48
    2.2.1 实验材料  46-47
    2.2.2 实验方法  47-48
  2.3 实验结果  48-56
    2.3.1 紫石房蛤贝壳内、中、外层平面的XRD分析  48-49
    2.3.2 紫石房蛤贝壳结构的会相表征  49-52
    2.3.3 紫石房蛤贝壳结构的扫描电镜表征  52-56
  2.4 分析与讨论  56-59
  2.5 小结  59-60
  参考文献  60-65
第3章紫石房蛤贝壳的硬度表征  65-81
  3.1 引言  65-66
  3.2 实验方法  66-67
  3.3 实验结果  67-71
    3.3.1 贝壳各层平而和横截面的硬度  67-68
    3.3.2 硬度压痕表征  68-71
  3.4 分析与讨论  71-77
    3.4.1 硬度与贝壳结构的关系  71-72
    3.4.2 贝壳的结构对压痕的影响  72-74
    3.4.3 紫石房蛤贝壳断裂韧性的评估  74-77
  3.5 小结  77-78
  参考文献  78-81
第4章紫石房蛤贝壳的压缩力学行为  81-105
  4.1 引言  81-82
  4.2 实验方法  82-83
  4.3 实验结果  83-91
    4.3.1 实验设备及夹具的刚度校正  83-85
    4.3.2 干压缩样品的压缩力学性能  85-87
    4.3.3 湿样品的压缩力学性能  87-88
    4.3.4 压缩样品的断裂行为  88-91
  4.4 分析与讨论  91-101
    4.4.1 各种贝壳的抗压强度、模量之间的比较  91-94
    4.4.2 压缩变形下的开裂行为  94-97
    4.4.3 抗压强度与模量、断裂失稳应变的关系  97-99
    4.4.4 抗压强度的Weibull统计分析  99-101
  4.5 小结  101-102
  参考文献  102-105
第5章紫石房蛤贝壳的弯曲力学行为  105-131
  5.1 引言  105-106
  5.2 实验方法  106-107
  5.3 实验结果  107-116
    5.3.1 干样品的弯曲性能在贝壳上的的分布  107-109
    5.3.2 成对贝壳在干/湿条件下的弯曲性能  109-111
    5.3.3 弯曲样品的断裂路径表征  111-113
    5.3.4 弯曲断口表征  113-116
  5.4 分析与讨论  116-128
    5.4.1 各种贝壳的弯曲强度、弹性模量之间的比较  116-120
    5.4.2 弯曲强度与其它力学性能的关系  120-121
    5.4.3 贝壳微结构及内部组织分布对断裂路径的影响  121-126
    5.4.4 弯曲强度的Weibull统计分析  126-128
  5.5 小结  128-129
  参考文献  129-131
第6章紫石房蛤贝壳的疲劳与断裂行为  131-147
  6.1 引言  131-132
  6.2 实验方法  132
  6.3 实验结果  132-139
    6.3.1 疲劳实验的尝试、进行及疲劳强度的预测  132-134
    6.3.2 疲劳弯曲强度的分布  134-135
    6.3.3 疲劳样品的寿命  135-136
    6.3.4 疲劳样品的断裂路径  136-137
    6.3.5 疲劳样品断口形貌的表征  137-139
  6.4 分析与讨论  139-143
    6.4.1 疲劳强度与其它力学性能的关系  139-142
    6.4.2 疲劳强度的Weibull统计分析  142-143
  6.5 小结  143-144
  参考文献  144-147
第7章结论  147-149
致谢  149-151
攻读博士学位期间科研及获奖情况  151-152

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