贝壳珍珠母微结构与力学性能研究

来源 :中国科学院力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:biluo2007
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贝壳珍珠母是由文石晶片和有机基质两种材料组成的天然层状复合材料,由于其具有优异的力学性能,目前受到了力学、材料科学和仿生学等学科的广泛关注。本文通过实验、理论建模和数值模拟研究了贝壳珍珠母的变形与破坏等力学行为,分析了贝壳珍珠母的微结构及其宏观力学性能之间的联系,希望为合成高性能工程材料的仿生设计和制备提供相关的指导。   本文的主要研究内容如下:   以池碟蚌淡水珍珠贝为研究对象,对珍珠母进行了基于其微结构的剪拉系列实验和层向拉伸实验。结果表明珍珠母在各个方向的宏观力学性能都很优异,并呈现一定的变化规律,集中,以平行于片层方向受拉的强度最高。   根据珍珠母的“砖-桥-浆”微结构模型和宏观力学行为的实验结果,证明矿物桥是珍珠母软界面层的主要承载结构,并制约着珍珠母的变形和破坏。它的存在是珍珠母优越性能的一个关键因素。   在珍珠母的力学实验中观测到负泊松比现象,由此对垂直于片层方向的膨胀现象作了能量分析。发现变形过程中发生体积膨胀是珍珠母的一条新的重要的耗能增韧机制。   最后,分析了裂纹在层状复合材料中扩展的相关力学行为,并给出裂纹扩展过程中的位移场与裂纹形状。发现软层有机基质的存在是珍珠母具有良好止裂性能的原因。并进一步研究了裂纹偏转分叉对应力集中与断裂吸能的影响。  
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