1.1.4 貝殼

貝殼的種類很多，有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，都表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。貝殼材料的抗壓強度高過抗拉強度6 000多倍，貝殼塊體所具有的斷裂功大約是作為它基本成分的碳酸鈣晶體的斷裂功的3 000倍。這一優(yōu)異的力學(xué)性能，使得研究貝殼的微結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，成為當(dāng)今世界材料仿生設(shè)計研究中的一個熱點問題，也被譽為“生物礦化研究領(lǐng)域的皇冠上的明珠”。實際上，貝殼也可以看做是一種天然的梯度結(jié)構(gòu)材料。

貝殼具3層結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示，外層為角質(zhì)層，主要由硬化蛋白質(zhì)組成，厚度極薄；中層為棱柱層，由定向的柱狀方解石組成；內(nèi)層為珍珠層，由文石板片組成。

圖1-4 貝殼外形與內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)

在棱柱層中，棱柱的直徑為30~50 μm，厚度約為200 μm。棱柱層由大小不一、形狀有差別的六棱柱緊密排列組成，棱柱的每個面由薄層有機(jī)質(zhì)黏接在一起。不同蚌類的貝殼中棱柱層排列都是一樣的，僅疊片和棱柱的大小與厚度有差別。

珍珠層的最基本結(jié)構(gòu)單元是文石板片，一般多呈六邊形、渾圓形、棱形及不規(guī)則多邊形等。在不同種類的軟體動物中，小板片的粒度變化不大，一般直徑為2~10 μm，厚度為0.5~0.7 μm。板片在二維方向上排列形成微層，進(jìn)而形成了珍珠層。在珍珠層中，總量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))只占1%~5%的薄層有機(jī)質(zhì)充填于無機(jī)相之間，正是這微量的有機(jī)質(zhì)控制了珍珠層的形成，并使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能，珍珠層結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。

圖1-5 貝殼珍珠層

當(dāng)斷裂發(fā)生在垂直于文石層的方向上時，文石片的層狀結(jié)構(gòu)使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，提高了材料的韌性。另外，斷裂主要沿垂直于文石層的界面發(fā)生，在裂紋偏轉(zhuǎn)的同時常常伴隨著文石片拔出，層片之間黏結(jié)力阻礙了裂紋的擴(kuò)展。珍珠層中，有機(jī)基體與相鄰的文石層彼此黏合，有機(jī)相與文石片之間存在著強的界面，從而增大了相鄰文石層之間的滑移阻力。同時，有機(jī)相的存在降低了裂紋尖端的應(yīng)力場強度因子，阻礙了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展[5,13~15]。