贝壳的层状微结构与仿生陶瓷/聚合物复合材料的研究

摘要

对蛤蜊贝壳的扫描电镜观察实验表明该贝壳是由超过95﹪的无机霰石和少于5﹪的有机胶原质两相材料构成,无机霰石以片或条的形式平行于贝壳表面紧密排列,在贝壳中起增强的作用.有机胶原质粘合霰石片条,起传递和分散霰石片条间应力的作用.仔细观察发现存在弯曲的霰石薄片以及锥形的霰石条,以及平行和斜交等霰石片条的排列方式.更细微的观察发现霰石片或条是由更细的霰石条所组成,这些霰石条的直径具有纳米的尺度.将霰石条视为纤维,有机胶原质视为基体,用纤维拔出的概念分析说明了霰石纤维的高体积分数、大的尺度尺寸以及纳米级的霰石纤维直径是贝壳高断裂韧性的主要机理.蛤蜊贝壳的霰石/胶原质层状微结构特征也被用来指导陶瓷/聚合物仿生复合材料的设计.冲击实验表明陶瓷/聚合物仿生复合材料的冲击断裂韧性明显高于普通陶瓷材料。