【摘要】：利用仿生原理設(shè)計新材料和工程的結(jié)構(gòu)是近年來研究的熱點。南海豐富的海洋生物資源為結(jié)構(gòu)仿生提供了無盡的素材。海膽可以生活在重浪的潮間帶至幾千米的海床,其殼體已經(jīng)進化出優(yōu)異的力學(xué)性能來承受靜水壓和浪沖擊力。海膽殼作為一個輕質(zhì)多孔的多板塊組合殼,其獨特的結(jié)構(gòu)與其力學(xué)行為之間的關(guān)系對新型材料和工程的設(shè)計可能具有重大指導(dǎo)意義。本文以南海海域常見的紫海膽為主要研究對象,從無機骨骼分級結(jié)構(gòu)角度將海膽殼從宏觀到微觀分為六級:整殼、步帶、殼板、多孔體(stereom)、孔棱和晶片。采用數(shù)碼相機、偏光顯微鏡、掃描電鏡等表征儀器,以及圖像分析和數(shù)學(xué)軟件,將海膽殼各級結(jié)構(gòu)幾何特征數(shù)字化,為海膽殼結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。結(jié)合有限元法和仿生模擬實驗對海膽殼結(jié)構(gòu)及其力學(xué)行為的關(guān)系進行深度剖析。主要研究工作和結(jié)論如下:(1)通過逐步去除有機質(zhì)的方法分析表皮-殼板、孔間有機質(zhì)-stereom、骨內(nèi)有機質(zhì)IOM(Intrastereomic Organic Matrix)-晶片這三種不同尺度的有機-無機復(fù)合結(jié)構(gòu)對殼板力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明IOM在300℃熱解后,殼板彎曲性能降低了 55%,而另外兩種有機質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞對殼板彎曲強度影響不大。通過有限元計算IOM-晶片的組裝體(孔棱)的最佳長徑比和曲率,結(jié)果發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與海膽殼內(nèi)表面孔棱的測量統(tǒng)計結(jié)果基本一致。棱壁曲率半徑:棱長:棱徑=2:2:1。(2)通過顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn),由孔棱構(gòu)成的stereom從殼外到殼內(nèi)呈現(xiàn)GSR(Growth layer,Support layer,and Resorption layer)三層分布。將多孔三層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為彈性模量三層分布模型后,采用力學(xué)模擬實驗分析海膽殼在靜水壓、咬合力以及自重作用下的破壞行為,并采用有限元法研究GSR結(jié)構(gòu)與其它層序結(jié)構(gòu)的對海膽殼力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明GSR結(jié)構(gòu)海膽殼具有模型中最佳的綜合力學(xué)行為來抵抗環(huán)境破壞力。(3)通過顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn),由stereom構(gòu)成的殼板間以及由殼板構(gòu)成的步帶間發(fā)現(xiàn)大量的礦物橋。通過力學(xué)實驗和有限元法對海膽殼礦物橋的力學(xué)作用進行分析,結(jié)果表明礦物橋可以強化殼板的連接,且連接強度隨礦物橋分布密度的增加呈冪函數(shù)提高。通過析晶控制法在氧化鋁陶瓷的晶界中仿生制備出礦物橋,陶瓷的強度和韌性分別提高了 33.97%和33.52%。(4)通過有限元法和模擬實驗研究管足孔位置對海膽殼力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明海膽殼上部分位置管足孔的存在反而可以提高殼體在靜水壓和/或單向咬合力作用下的力學(xué)行為。本文不但為海膽殼結(jié)構(gòu)仿生的材料和工程設(shè)計提供了理論依據(jù),也為其他生物殼的結(jié)構(gòu)分析提供了新的方法和思路。
【圖文】：

交晶系結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為邋ａ＝０．４９６邋ｎｍ、ｂ＝０．７９７邋ｎｍ、ｃ＝０．５７４邋ｎｍ、ａ＝ｐ＝ｙ＝９０°，邋Ｃａ－０逡逑距離為０．２５邋ｎｍ。它的硬度是碳酸錦相中最大的莫氏硬度（３．５－４）。其典型形貌是針、棒逡逑狀。圖１．２為方解石和文石的晶體結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知兩者的Ｃ０３２－離子和Ｃａ２＋離逡逑子在結(jié)晶學(xué)ｃ軸方向都是呈層狀交替排列的。方解石和文石在海洋生物礦物中出現(xiàn)得逡逑最為普遍，圖１．２和表１．２分別是方解石和文石的晶體結(jié)構(gòu)示意圖和物理性質(zhì)對照表。逡逑（ａ）邐（ｂ）邋Ｃ逡逑ｃ邋＾邐９邐ｃ邋Ｑ邋0逡逑S緬危睿粒礤危�、１辶x希駑澹殄澹卞澹殄危鈴義希矗掊巍＃茫徨�？邋＞捔x希，

本文編號：2589488