《贝壳层状材料(共5篇)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《贝壳层状材料(共5篇)（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划贝壳层状材料(共5篇)天然复合材料贝壳贝壳是软体动物在环境温度与压力下将周围环境中的无机矿物(CaCO3)与自身生成的有机物相结合制造出的复合材料,贝壳的形成过程是一种生物矿化过程。随着研究的不断深入人们发现贝壳不仅具有特殊的结构,而且特有的结构导致天然生物材料具有比合成材料优异的综合性能。贝壳珍珠层是天然的陶瓷基复合材料,它的引人注目之处在于其强度与无机文石(CaCO3)相当,而断裂韧性却提高了约3000倍。这些都源于珍珠层的复合结构。贝壳的结构及成份贝壳根据形成的方式和组成结构不
2、同分为3层。最外层为角质层,是硬蛋白质的一种,能耐酸的腐蚀;中间的棱柱壳层,它占据壳的大部分,由角柱状的方解石构成,角质层和棱柱层只能由外套膜背面边缘分泌而成;内层为珍珠层,也由角柱状方解石构成,它由外套膜的全表面分泌形成,并随着贝类的生长而增厚,富有光泽。贝壳虽然种类繁多,形态各异,颜色不同,但化学组成相似,主要有占全壳95%的碳酸钙和少量的贝壳素。据报道将山东烟台产贻贝壳晾干粉碎成粉末后,用原子吸收分光光度计测其元素成分,其中常量元素K、Na、Ca、Mg质量分数分别为:0.01%、0.35%、15.1%和0.17%,微量元素含量分别为(mg/kg):Fe206.0、Zn453.3、Se0.
3、85、I2.3、Cu10.7。其它贝壳因来源不同,各质量分数略有差别。贝壳中的有机质有机基质一般仅占壳重的0.3%5%,经X-射线衍射及核磁共振技术研究表明,贝壳的有机基质通常可分为5层,其中心是由两层富含Gly和Ala的疏水性蛋白质夹一薄层卜几丁质所构成,疏水核心两侧为富含ASp和Gill的亲水性蛋白质,与矿物相紧密相连。贝壳珍珠层的形成模型贝壳珍珠层的矿化是一个漫长的过程。对贝壳珍珠层的形成过程比较成熟的理论认为:首先由细胞分泌的有机质自组装成层状隔室,每一层有机质上有纳米级小孔(4349nm,密度约为100m),导致上下层隔室相通。然后,在有机/无机间的分子识别作用下,文石晶体从最下面一
4、层有机质上开始定向成核,并往外生长。由于隔室相通,下一层隔室长满之后可通过小孔继续往上一层隔室中生长,而小孔可以保证所需要的离子的运输。因此上一层的晶体填充不需要重新成核,从而保证了珍珠层中每一层的文石晶体具有一致的取相,又保证了文石层和有机层交替堆叠,从而使珍珠层具有优异的力学性能。由于在有机相-无机相间存在着相对较强的结合界面,有机基质与文石片间的结合力和摩擦力将阻止裂纹的进一步延伸,而且有机基质的塑性形变可降低裂纹尖端的应力场强度因子,从而使断裂所需的能量提高达到增韧的目的。约占贝壳重量5%的有机大分子使本质上各向异性的矿物质自组装成各向同性的纳米结构体,其在贝壳增韧机制中起到了不可替代
5、的作用。珍珠层发生变形与断裂时,文石层间的有机基质发生塑性变形并且与相邻晶片粘结良好。这是珍珠层中的一种普遍存在的现象,这种现象在韧化过程中的作用是不可忽视的。矿物桥的作用。矿物桥的总面积约占文石板片总面积的1/6,其对珍珠层的整体力学特性的影响也不可忽略在裂纹穿过有机基质后,由于有机基质和矿物桥的作用,上下文石片间仍然保持着紧密连接,除有机相和文石间的结合力和摩擦力将阻止晶片的拔出外,要拔出晶片必须先“剪断”晶片上所有的矿物桥;有机基质与文石晶片的紧密结合既保护了矿物桥,又和矿物桥共同阻止了晶片间的相互分离,从而使材料的韧性得以强化。贝壳的结构仿生层状陶瓷基复合材料摘要论述了贝壳的结构仿生材
6、料层状陶瓷复合材料的性能特点，从基体及夹层材料的类型选择和匹配、结构设计、工艺参数的选取、增韧的机制、制备方法等方面介绍了当前层状陶瓷制备工艺技术的研究进展；从性能及结构等方面探讨了在复合材料发展中目前存在的问题。关键词：贝壳仿生；层状复合陶瓷；基体材料；夹层材料；增韧机制；制备方法引言众所周知，陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻等很多优点，在能源、冶金、石油化工、航天航空等领域有着广泛的应用前景。但是，陶瓷材料本身脆性大，对缺陷十分敏感，导致使用可靠性和可重复性差，限制了其应用。因此,增加陶瓷材料的韧性,提高其使用可靠性，一直是结构陶瓷材料研究的重点。陶瓷的层状复合是大自然中贝壳等生
7、物材料的一种结构仿生设计。贝壳类生物材料是由95%以上的脆性文石晶体和少量的壳角蛋白以强弱相间的层状形式复合而成的,这种结构具有比一般文石晶体高得多的综合机械性能。层状复合陶瓷也是在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层制成。这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构,能克服陶瓷突发性断裂的致命缺点。当材料受到弯曲或冲击时,裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折,有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。同时,这种材料的强度受缺陷影响较小,是一种耐缺陷材料。这种结构可使陶瓷的韧性得到很大改善。1.贝壳的结构和成分贝壳根据形成的方式和组成结构不同分为3层。最外层为角质层，是硬蛋白质的一种
8、，能耐酸的腐蚀；中间的棱柱壳层，它占据壳的大部分，由角柱状的方解石构成，角质层和棱柱层只能由外套膜背面边缘分泌而成；内层为珍珠层，也由角柱状方解石构成，它由外套膜的全表面分泌形成，并随着贝类的生长而增厚，富有光泽，珍珠层是最强韧的部分。珍珠层组成相的95%是文石晶体，其余是有机基质和少量的水，因此，它是一种天然的陶瓷基复合材料。虽然贝壳珍珠层的组成中有近95%是普通陶瓷碳酸钙，但其综合力学性能，特别是断裂韧性，比单个单相碳酸钙高2-3个数量级，研究表明，其中的文石晶体呈多边形。他们交叉叠层，堆砌成非常整齐有序的结构，片层之间是有机基质。图1使其结构示意图1。这种独特的结构侧面与砖墙形貌相似，而
9、层面则与多晶体的金相组织相近。正是这种独特的结构，使得贝壳珍珠层的性能如此优良。2.层状陶瓷基复合材料的结构设计层状复合是一种新型的陶瓷复合构型，它是一种仿生结构设计，模拟了自然界中贝壳的珍珠层的复合结构。珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似，是由一层层超薄的碳酸钙通过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起，其中碳酸钙约占体积95%；有机物只占5%，但这5%的有机物引起了碳酸钙力学性能的巨大变化，纯粹的碳酸钙很脆，而珍珠层的强韧性却很高，人们从这种结构中受到启发：要克服陶瓷材料的脆性，可以采用层状结构，在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料，制成层状复合材料。如常选用高强、高硬的陶瓷来模拟珍珠层中的硬层，选用
10、硬度较低、弹性模量较小的陶瓷或金属模拟珍珠层中的软层，取得了良好的韧化效果2。3.层状陶瓷基复合材料的材料设计：层状陶瓷复合材料可以按照陶瓷层材料和夹层材料的差异分为不同的种类，其中按陶瓷层的材料主要分为SiC体系层状复合材料、Si3N4体系层状复合材料、A12O3体系层状复合材料；按夹层材料的不同又可以分为无机非金属材料夹层、金属夹层和有机树脂类夹层等3。其中，金属夹层材料和大部分有机树脂类夹层材料是延性材料，具有可以发生较大的塑性变形吸收和消耗能量的特点，在层状陶瓷复合材料增韧方面具有相似的作用。基体材料选择：目前，层状陶瓷复合材料研究的基体材料主要是一些具有较高强度和弹性模量的结构陶瓷材
11、料，如Al203、ZrO2、SiC、Si3N4、TiB2、B4C等。按照组成化合物的元素不同，可以分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。1）氧化物陶瓷基体氧化铝陶瓷基体以氧化铝为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态。氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝陶瓷，95氧化铝陶瓷，85氧化铝陶瓷等。氧化锆陶瓷基体以氧化锆为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度/cm3，熔点2175。稳定的氧化锆陶瓷的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好高温时具有抗酸性和抗碱性。2）氮化物陶瓷基体氮化硅陶瓷基体以氮化硅为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有两种形态。此外氮化硅
12、还具有热膨胀系数低，优异的抗冷热聚变能力，能耐除氢氟酸外的各种无机酸和碱溶液，还可耐熔融的铅、锡、镍、黄钢、铝等有色金属及合金的侵蚀且不粘留这些金属液。氮化硼陶瓷基体以氮化硼为主要成分的陶瓷称为氯化硼陶瓷。氮化硼是共价键化合物。3）碳化物陶瓷基体以碳化硅为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。碳化硅是一种非常硬和抗磨蚀的材料，以热压法制造的碳化硅用来作为切割钻石的刀具。碳化硼陶瓷基体以碳化硼为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。碳化硼是一种低密度、高熔点、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通过无压烧结、热压等制备技术形成致密的材料。基体材料的强度对复合材料的性能有很大影响。基体材料的强度直接影响复合材料的断裂韧性值
13、，强度越高，断裂韧性越高。基体材料增韧后可以提高层状复合材料的断裂性能。基体材料常用的增韧方法有颗粒弥散增韧、纤维或晶须增韧、相变增韧等。研究证明，基体材料采用不同的增韧方法和材料其增韧效果是不同的。从表1可以看出，序号1试样采用B4C+TiO2弥散增韧SiC基体材料时，材料的抗弯强度反而下降。造成这种情况的原因是所研究的材料的弥散相是一些烧结助剂，烧结后基体材料的密度增高，硬度变大，韧性降低。序号2的试样采用ZrO2相变增韧Al2O3基体材料，与层状结构一起起到了协同增韧作用，使材料性能改善4。因此，要发挥协同增韧作用，针对不同的基体必须选择合适的增韧材料和结构。夹层材料的选择夹层材料的选择
14、原则夹层材料是决定层状陶瓷韧性高低的关键。夹层材料选择时一般要考虑以下因素：与基体不发生较大化学反应，以免生成不利的脆性产物；热膨胀系数相差不应太大，避免热应力开裂;强度适当，性能稳定，且与基体结合强度适中，以利于裂纹偏折等。根据等的观点，裂纹在夹层发生偏折的条件是：夹层/基体的韧性比小于4。金属夹层材料常用的金属夹层材料有Ni、Al、Cu、W、Ta等。延性金属软相材料可以发生较大程度的塑性变形来吸收能量，还能够在一定程度上使裂纹尖端钝化和裂纹在弱界面发生偏转以及在裂纹尾部形成桥接等，从而起到强化和增韧效果。另外，金属层引入后，由于金属与陶瓷热膨胀系数的差异，还会在材料烧成后的冷却过程中使陶瓷
15、层中产生残余压应力，有利于材料韧性的提高。不同的金属夹层对基体的增韧作用不同。例如对于TiC基体，与别的夹层材料相比，Al和Cu增韧效果最显著5。采用金属材料夹层，应该采取措施尽量降低陶瓷基体的烧结温度，以免陶瓷与金属发生高温反应，生成脆性化合物。例如，对于SiC基体材料，用金属W、Ta等作夹层材料时，Y2O3和Al2O3作为基体材料的烧结助剂，可以降低烧结温度。在金属中添加可以形成包裹层或生成稳定的金属间化合物的成分(例如在W中加入Co)6，也可以减弱金属与陶瓷的高温反应。无机非金属夹层材料常用的无机非金属夹层材料有石墨、BN等弱结合型材料以及ZrO2、Al2O3等强结合型材料。用石墨、BN等作夹层材料时，体系具有较高的烧结温度，材料整体的力学性能比较好。裂纹在到达弱夹层时，裂纹尖端由三向应力变为二向应力，穿层扩展受到阻碍，裂纹发生偏折而沿界面扩展，释放能量。弱夹层的加入一般会使材料的强度有所下降，但冲击韧性大幅度提高。根据目前的研究情况,采用致密弱结合型夹层具有比较好的增韧效果。采用强结合型材料时，主要是利用残余应力、材料相变等机理进行增韧。例如文献7介绍了以ZrO2为基体材料，以Al2O3为夹层材料的情况。由于高弹性模量Al2O3层对基体材料自催化相变的阻挡作用，当裂纹扩展时，基体材料中裂纹附近
