大珠母贝珍珠质中文石板片晶体学取向、纳米结构及断裂行为的研究

摘要

贝壳珍珠质是软体动物合成的一种天然的有机无机复合材料。经过上亿年的自然选择，珍珠质进化出了极其优异的力学性能。与地质文石相比，其强度增加了两倍，韧性增加了1000多倍，断裂功则增加了3000多倍。珍珠质优异的力学性能得益于其精心设计的多级结构。因此，研究珍珠质的多级结构、揭示其结构与力学性能的关系可以为设计和制造高性能复合材料指明方向。
　　本文选取大珠母贝珍珠质为研究对象，首先利用 X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（ SEM）、及纳米压痕仪对其组成、结构及宏观力学性能进行了研究。结果显示，大珠母贝珍珠质由文石板片和层间有机物交叠而构成砖墙结构。其表面和截面的硬度分别为3.19±0.06 GPa和3.30±0.07 Gpa；弹性模量分别为53.70±0.23 GPa和82.64±2.50 GPa。相比于截面而言，珍珠质表面具有较高的H/E值，因此具有较好的耐磨性。
　　随后，本文借助X射线衍射分析、扫描电子显微镜和透射电子显微镜（TEM）研究了大珠母贝珍珠质文石板片的取向。结果表明，单个文石板片经过酸蚀和抛光后，其（001）面显现出取向一致的纳米板片，纳米板片的取向平行于文石晶体的[100]晶向。大多数文石板片中，纳米条带具有同样的取向（主取向），这一取向近似平行于大珠母贝的生长线方向。少数文石板片中，纳米条带与主取向呈现30°和60°的夹角。文石板片的定向排列是珍珠质块体试样宏观上呈现（100）（110）和（130）择优取向的根本原因。
　　此外，本文利用透射电子显微镜对珍珠质单个文石板片的精细结构进行了研究。结果表明，单个文石板片具有单晶的本质特征。晶内有机物以岛状和片状的形式存在于连续的文石晶体框架内。此外，文石板片具有较高的电子束敏感性，原位辐照实验显示，短时的电子束辐照作用就会使文石板片转变成为多晶，从而导致其本征结构的破坏。
　　最后，本文利用透射电子显微镜对大珠母贝单个文石板片的断裂行为进行了研究。结果表明，晶内有机物在很大程度上调节了板片的断裂行为。通过裂纹的偏转、裂纹尖端的钝化、纳米颗粒的形成和旋转以及晶内有机物的变形，单个文石板片不遗余力地实现了能量耗散。单个文石板片能量耗散效率的提高促进了珍珠质的损伤局域化的实现，从而维持了贝壳宏观结构和力学功能的完整性。

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第一章 绪论

1.1 生物矿化概述

1.2 天然生物矿物的种类及结构

1.3 珍珠质的成分

1.4 珍珠质的结构

1.5 珍珠质的力学性能

1.6 珍珠质的矿化机制

1.7 本文的主要研究内容

第二章 大珠母贝珍珠质的组成、结构及力学性能

2.1 前言

2.2 材料和方法

2.3 实验结果

2.4 讨论

2.5 本章小结

第三章 大珠母贝珍珠质文石板片的取向

3.1 前言

3.2 材料和方法

3.3 实验结果

3.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 大珠母贝珍珠质单个文石板片的纳米结构

4.1 前言

4.2 材料和方法

4.3 实验结果

4.4 讨论

4.5 本章小结

第五章 大珠母贝珍珠质单个文石板片的断裂行为

5.1 前言

5.2 材料和方法

5.3 实验结果

5.4 讨论

5.5 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间已发表或录用的论文与其他研究成果