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珍珠母多级微纳米结构的强韧机理

作　者: 袁权
导　师: 陈斌
学　校: 重庆大学
专　业: 力学
关键词: 珍珠母生物矿化多级微纳米结构强韧机理仿生研究
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

天然生物复合材料经过若干世纪的选择进化，具有了人工合成复合材料无法比拟的优良力学行为。天然生物复合材料优良的力学行为密切相关于其内部优良的多级微纳米结构。研究天然生物复合材料多级微纳米结构与其优良力学行为的关系，可以为发展新的高性能复合材料提供有益指导。贝壳珍珠母是一种典型天然生物复合材料，它具有高的强度、刚度和韧性。本文以天然生物复合材料贝壳珍珠母为研究对象，通过实验观察、模型分析、数值模拟和仿生验证相结合的方法研究了其多级微纳米结构与其力学行为的关系，揭示了贝壳珍珠母多级微纳米结构的强韧机理，提出了高性能复合材料仿生制备的新思路。本文主要工作及结论如下：①基于对珍珠母微纳米结构的实验观察结果及珍珠母“圣诞树”的生长方式，提出一种改进的“圣诞树”模型，通过此模型对珍珠母多级微纳米结构的形成机理进行了分析，得到珍珠母通过自然生物矿化，形成了其多级微纳米结构的结论。也基于改进的“圣诞树”模型和生物矿化理论，计算了文石晶核及文石片表面纳米颗粒尺寸，得到的结果与实验结果一致。②针对扫描电镜观察到的珍珠母多级微纳米结构，通过断裂力学、细观力学、界面力学及复合材料力学的理论和分析方法，建立相应分析模型，分析了珍珠母增强相文石片纳米厚度、层状结构、滑移与拔出、片间裂纹偏转、交错结构及矿物桥等结构及破坏特征与珍珠母强韧性的关系，得到珍珠母多级微纳米结构使珍珠母获得多机制增强增韧的结论。③根据扫描电镜观察到的珍珠母断裂表面极不规则以及文石片具有曲折断裂轮廓，基于分形理论，分别建立了珍珠母纵向和横向两个方向上的分形模型，计算了这两个方向上的断裂轮廓线的分形维数及分形断裂能扩大因子，并在此基础上分析了珍珠母准三维分形断裂能。计算结果表明珍珠母特殊微纳米结构造成的裂纹曲折扩展比裂纹平直扩展消耗更多的能量，这使得珍珠母材料具有高的断裂韧性。也针对珍珠母中存在的多级结构，利用其自相似性，建立珍珠母多级结构分形模型，通过此模型计算了珍珠母多级结构的分形维数，通过分析和计算，得到珍珠母的多级结构使其同时具备高的刚度和强度的结论。④珍珠母中的有机质基体对珍珠母力学行为也有显著影响。通过对珍珠母有机质高弹性本质的热力学行为的研究，得到珍珠母有机质的高弹性的本质为熵弹性。建立有机质自由连接链模型，分析得到单分子链的拉伸曲线，并拟合得到珍珠母有机质单分子链的材料参数。建立8链网状模型，将得到的包含折叠域的单分子链置于此模型中，通过分析分子链的伸长，描述了珍珠母有机质的变形状态，推导了有机质的大变形本构关系。在考虑有机质性质和尺寸参数情况下，对珍珠母代表性体积单元的力学行为进行了数值模拟，结果表明有机质能显著降低文石片中的应力集中，有机质中折叠域的连续展开使得文石片之间的相互滑移更容易。⑤基于在珍珠母堆砌结构中观察到的珍珠母次级结构─领结状文石片，提出一种由领结状增强单元构成的堆砌结构模型，通过此模型分析了珍珠母有效模量及非线性强化等珍珠母力学行为，证实了实验观察到的珍珠母的互锁机制及负泊松比效应，对仿生界面设计提出了有益建议。⑥在对珍珠母的实验观察中，发现珍珠母次级结构─锥状及波纹状表面的文石条。针对锥状文石条，建立锥状文石条模型，分析了锥状文石条的拔出力，并和常规柱状文石条的拔出力进行了比较，揭示了锥状文石条的优良力学行为。针对波纹状表面文石条，建立波纹状表面文石条模型，分析了具有波纹状表面文石条的力学行为，得到由于文石条的波纹状表面，文石条拔出力增大的结论。⑦根据在贝壳珍珠母中观察到的珍珠母次级微纳米结构─领结状文石片，进行了仿生领结状陶瓷片复合材料制备和实验研究。得到仿生领结状复合材料的弹性模量接近其硬相—陶瓷片弹性模量的结论，这保证了复合材料的刚度。也得到仿生领结状陶瓷片复合材料的弯曲强度及断裂韧性比矩形状陶瓷片复合材料大的结论。⑧根据在贝壳珍珠母中观察到的珍珠母次级微纳米结构—表面锥状文石条，制备了表面锥状仿生试件，并对其进行了最大拔出力测试。得到表面锥状试件以“锯齿”的形式被拔出，没有突发性破坏，预示这种形状的纤维桥联能力良好。根据在贝壳珍珠母中观察到的次级微纳米结构—表面波纹状文石条，制作了表面波纹状仿生试件，对其也进行了最大拔出力测试。得到表面波纹状试件的拔出曲线呈明显的弹塑性变形特征，试件也没有突发性破坏。预示这种形状的纤维也具有良好的纤维桥联能力。在复合材料设计中合理选择表面锥状和表面波纹状纤维，可以提高复合材料的强韧性。

珍珠母多级微纳米结构的强韧机理

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