珍珠質(zhì)文石板片的納米結(jié)構(gòu)與斷裂行為

王勝男，竺鑫橋

(1.中國工程物理研究院 化工材料研究所，綿陽 621999；2.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，綿陽 621999)

在適者生存、優(yōu)勝劣汰的自然法則下，生物體經(jīng)過上億年的演化，進(jìn)化出了一系列具有多級(jí)結(jié)構(gòu)和特殊功能的生物礦物：如脊椎動(dòng)物撐持軀體的骨骼，哺乳動(dòng)物感受重力的耳石，軟體動(dòng)物抵抗襲擊的殼層等[1-7]。在眾多生物礦物中，貝殼珍珠質(zhì)具有最規(guī)則且簡單的結(jié)構(gòu)，因此成了生物礦物的研究范例。

貝殼珍珠質(zhì)由95%的文石碳酸鈣與5%的層狀有機(jī)質(zhì)交叉堆疊構(gòu)成磚墻結(jié)構(gòu)。作為一種天然的防御材料，珍珠質(zhì)擁有極其顯著的機(jī)械性能。相比于文石的地質(zhì)礦物而言，其強(qiáng)度提升了2倍，韌性提升了1000多倍，斷裂功提升了3000多倍[8]。珍珠質(zhì)的拉伸及彎曲實(shí)驗(yàn)顯示，在外加載荷作用下，文石板片會(huì)產(chǎn)生相對滑移甚至拔出，層間有機(jī)物也會(huì)發(fā)生變形，斷裂往往發(fā)生在有機(jī)-無機(jī)界面之間[9-13]，因此，先前學(xué)者們將珍珠質(zhì)的高韌性歸功于其精心設(shè)計(jì)的磚墻結(jié)構(gòu)[14-19]。但值得關(guān)注的是，在珍珠質(zhì)的整個(gè)受拉過程中，單個(gè)板片卻往往能夠維持自身的完整性而不發(fā)生破斷，這預(yù)示著，單個(gè)文石板片本身一定具備足夠的強(qiáng)度和韌性。

事實(shí)上，這一推測近年來已得到了證實(shí)[20-29]。學(xué)者們借助納米壓痕儀對單個(gè)文石板片的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，單個(gè)文石板片的硬度為3～4.5 Gpa，彈性模量為70～85 Gpa；更有趣的是，板片中的殘余壓痕顯示出明顯的塑性變形特征，壓痕周圍并未出現(xiàn)裂紋，此外，壓痕的截面堆垛形貌也呈現(xiàn)出良好的對稱性[23-25,27]。……