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文哈贝壳多级微结构特征及螺旋微结构的韧性机制交叉斌，孙士涛，彭向和，范镜泓陈实验2稀有金属材料与工程贝壳是一种天然生物陶瓷复合材料。它由％～％的无机矿物质浇馐蝣笔和ァ％的有机胶原质组成⋯。尽管这种陶瓷复合材料含有％以上的脆性碳酸钙物质，但它却具有相当高的强韧性。如贝壳珍珠层的断裂韧性能达到普通纯碳酸钙物质断裂韧性的倍【】。贝壳陶瓷复合材料优良的力学性质归因于其优化的微结构形态、尺寸、位置关系及组合方式。按贝壳微结构及成分上的差异，沿厚度方向通常3层【】。角质层是贝壳的最外层，主要由贝壳硬蛋白组成。棱柱层为贝壳的中间层，主要由方解石晶体构成。珍珠层为贝壳的最里层，主要由霰石晶体构成。在贝is,6]在此“砖墙”中，无机矿物质的形态及功能像“砖墙”中的“砖块”，而有机胶原质的形态及功能像“砖墙”中起粘合作用的“砂浆”。珍珠层这种优良的无机和有机相的结合方式，使珍珠层成为贝壳中强韧性最好的部分。对贝壳优良微结构的深入研究，将可能得到高7本研究利用扫描电镜观察了文哈贝壳的微结构，结果显示此贝壳具有多级的微结构特征，不同霰石层中的霰石纤维构成一种螺旋交叉微结构。对螺旋交叉微结构及平行微结构建立模型进行分析，比较研究其最大拔出力，结果显示螺旋交叉微结构的最大拔出力明显大于平行微结构的最大拔出力。不同的贝壳具有显著不同的微结构特征，本研究(1)mm3。扫描电镜试样的制备步4h机械的方法使其沿不同方向断裂，得到最大尺寸约为的试样。用离子溅射仪在试样表面厚的金钯涂层。最后将喷涂了金钯涂层Amary扫描电镜中，保持电，在～之间的不同放大倍数下，对试样的微结构进行扫描电镜观察。SEM24文哈贝壳是一种由无机霰石和有机胶原质组成的多级生物陶瓷复合材料。贝壳由平行于表面的许多霰石层(2)(3)(4)观察也显示，任意霰石层中的霰石纤维与它相邻霰石层中的霰石纤维保持一个较大的夹角≯，构成一种霰厍齑笱В厍(SEM)在纳米尺度的霰石纤维组成：在不同霰石层中的霰石纤维具有不同的方向，它们构成一种螺旋交叉微结构。对螺旋交叉微结构和平行微结构进行了与材料断裂韧性有关的最大拔出力的比较分析，结果表明：螺旋交叉微结构的最大拔出力明显大于平行微结构的最大拔出力，螺旋交叉角越大，拔出力的差值也越大。关键词：文哈贝壳；生物陶瓷复合材料；多级微结构；螺旋交叉微结构：最大拔出力喷涂约压为1956400044E-******@cquedIL第卷正2月MATERIAIS摘的多级生物陶瓷复合材料。贝壳由平行的霰石层组成，每一霰石层由长而薄的霰石片所组成，每一霰石片又是由直径中图法分类号：；A文章编号：．．．收稿日期：．．基金项目：国家自然科学基金资助V0138Suppl2
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()=2m-nit,lexp(ib)I㈣石纤维螺旋交叉微结构、图。复合材料的断裂韧性紧密相关于复合材料中增强相的最大拔出力。在贝壳中存在的螺旋交叉微结构应该有利于增加其霰石纤维的最大拔出力，进而提高贝壳的断裂韧性。首先研究单根霰石纤维的最大拔出力。先假设一单根霰石纤维被垂直地埋设在其胶原质基体中，并且一个沿霰石纤维轴向方向的拔出力作用在其(5)r石纤维的拔出力可写为：设此界面剪应力随拔出力的增加而增加，当它达到界面剪切强度％时，纤维的拔出力达到其最大值。：()=2xrl再假设此霰石纤维被倾斜地埋设在其胶