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文蛤贝壳层状结构及其性能研究

作　者: 邓志华
导　师: 马云海
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 仿生材料文蛤贝壳层状结构力学性能
分类号: TB39
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

贝壳是常见的生物材料,具有复杂的微观结构和优良的力学性能。文蛤是常见的软体动物文蛤贝壳是一种天然生物材料,具有的分级结构和优异性能为高性能的复合材料和仿生材料的设计提供了新思路。研究生物原形的几何结构特征、材料的力学性能、材料的组成是研制仿生材料的基本前提。软体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。本文以辽宁营口地区的文蛤为研究对象,用扫描电子显微镜和体式显微镜观察了其微观组织结构;采用精密切割机对文蛤贝壳进行分割,得出了不同部分的密度分布情况。用电子万能实验机对文蛤贝壳的力学性能进行了分析,并用ansys有限元分析软件对其结构所对应的优良力学性能进行模拟仿真。最后文蛤片结构和性能之间的关系进行了探讨。文蛤贝壳无机成分由方解石和文石两相所构成,表面的角质层是一层硬化蛋白,有机质成分复杂占总重量5%,主要由不可溶的多糖几丁质、富甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白质、富天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶性蛋白等三种生物大分子组成。对文蛤珍珠层和棱柱层进行浸润性测试,发现文蛤棱柱层表面、珍珠层表面均具有较强的亲水性,接触角大小与其表面微观结构有关,其中棱柱层表面微观结构润湿性能满足Wenzel模型。对不同含水量的贝壳进行压缩、剪切等力学性能实验的对比中,压缩实验中,垂直生长表面加载时最大应力从54.3Mpa-90.60Mpa,而且最大应力主要集中于55Mpa和80Mpa左右。沿着生长方向加载时,最大应力范围48.5Mpa—61Mpa之间,相对于垂直加载时稳定。棱柱层和珍珠层的压缩的最大强度明显高于整体压缩强度,分层压缩时的最大强度是整体压缩强度的2倍。当垂直于表面方向加载时表现出了陶瓷的特征。本研究采用精密划痕仪,对片状文石之间的临界载荷Lc₁文石层与棱柱层之间的临界载荷Lc₂,并比较了不同含水量下Lc₁、Lc₂的变化情况,讨论了临界载荷对材料的整体力学性能的影响;采用微观摩擦磨损实验机对文蛤贝壳的摩擦性能测量,实验表明文蛤贝壳在与不同粗糙程度的砂纸对磨时,实验因素对摩擦因数的影响大小依次为摩擦速度、对副种类、法向载荷。用1000目砂纸做摩擦速度和法向载荷的全面实验时发现,在载荷一定的条件下,摩擦因数随着滑动速度的增大迅速减小。随着滑动速度的增大,摩擦表面的温度升高,壳体材料软化,贝壳中的有机质将填充于表面微观结构之间,从而壳体材料变得相对平坦光滑,摩擦表面间微突体的啮合程度越来越小,微突体间的相互运动阻碍作用减弱,使微观切削抗力减小,在相同法向载荷条件下,宏观的摩擦阻力也就减小,从而使测量得到的摩擦因数降低。这种变化趋势同贝壳材料的结构有一定关系,贝壳最外层为角质层,由很硬的贝壳硬蛋白构成,中间层为棱柱层,由无机物和有机物交替排列组成。实验初期,角质层上凸起的生长线必然会阻碍摩擦的进行,摩擦力的增大导致测量的摩擦因数的增大。贝壳材料的主要磨损机理有疲劳磨损和粘着磨损两种。文蛤贝壳壳体与砂纸摩擦过程中以犁削为主,并出现犁沟和轻微的材料转移现象。对实验中采集和测量得到的数据进行处理,建立贝壳的层状结构以及棱柱层和珍珠层模型。采用ansys有限元分析软件,对文蛤贝壳在准静态加载和动态加载过程层状结构模型的应力分布情况位移情况。。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 引言  11
  1.2 常见的几种生物材料及其仿生研究  11-15
    1.2.1 牙齿  11-13
    1.2.2 竹  13-14
    1.2.3 仿生材料及其贝壳的研究现状  14-15
  1.3 国内外贝壳层状结构研究现状  15-17
    1.3.1 贝壳的化学成分  15
    1.3.2 贝壳中的有机质  15-16
    1.3.3 贝壳的增韧机理  16-17
  1.4 贝壳的形成与生物矿化  17-18
    1.4.1 生物矿物的特性  17-18
    1.4.2 生物矿化调控因素  18
  1.5 研究内容  18-20
    1.5.1 研究对象  18-19
    1.5.2 本文工作的主要内容  19-20
第2章文蛤贝壳物理性能  20-30
  2.1 文蛤贝壳的外貌特征  20-21
  2.2 文蛤贝壳的角质层和珍珠层  21-22
    2.2.1 文蛤贝壳的组成与结构  21-22
  2.3 润湿角  22-26
    2.3.1 实验材料及方法  23
    2.3.2 结果与分析  23-25
    2.3.3 贝壳表面亲水机理分析  25-26
  2.4 密度  26-29
    2.4.1 实验材料及方法  27
    2.4.2 结果与分析  27-29
  本章小结  29-30
第3章文蛤贝壳摩擦学性能  30-50
  3.1 摩擦学理论  30-35
    3.1.1 库仑摩擦定律及其局限性  30-31
    3.1.2 摩擦产生的原因  31
    3.1.3 犁沟作用对摩擦力的影响  31-32
    3.1.4 磨损  32-35
  3.2 摩擦试验  35-37
    3.2.1 试验材料及样品制备试验材料  35
    3.2.2 UMT 微观摩擦学实验机  35-36
    3.2.3 摩擦磨损试验  36-37
  3.3 统计分析  37-46
    3.3.1 摩擦因数与试验因素的统计  37-38
    3.3.2 MATLAB 的优势  38-39
    3.3.3 摩擦因数统计与试验因素正交分析  39-44
    3.3.4 结果与分析  44-46
  3.4 贝壳材料滑动磨损机理分析  46-48
  本章小结  48-50
第4章文蛤贝壳机械性能  50-62
  4.1 压缩强度  50-55
    4.1.1 制样  50
    4.1.2 压缩实验  50-54
    4.1.3 结果分析  54-55
  4.2 剪切强度  55-57
  4.3 结合强度  57-61
   本章小结  61-62
第5章文蛤贝壳结构建模与分析  62-75
  5.1 有限元法的基本思想  62-65
    5.1.1 有限元法的基本步骤  62-64
    5.1.2 ANSYS 软件及应用简介  64-65
  5.2 有限元模型的建立  65-69
    5.2.1 三维实体模型的建立  65-67
    5.2.2 建立有限元模型  67-69
  5.3 文蛤贝壳模型的力学分析  69-74
    5.3.1 静力学分析  69-72
    5.3.2 施加约束和载荷  72
    5.3.3 有限元计算结果及分析  72-74
   本章小结  74-75
第6章结论与展望  75-78
  6.1 本论文得出的结论  75-76
  6.2 展望  76-78
参考文献  78-83
导师及作者简介  83-85
致谢  85

文蛤贝壳层状结构及其性能研究

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