3D打印貝殼仿生復合材料的拉伸力學行為

侯祥龍，雷建銀，李世強，王志華，劉志芳

（太原理工大學應用力學研究所，山西 太原 030024）

貝殼珍珠層是一種具有高強度和高韌性的天然材料，這種優異的性能主要與其由無機質和小體積分數的有機質所組成的“磚墻”式微結構有關，其中文石片（無機質）的內聚和滑動以及有機質的橋接作用是其高韌性、止裂的關鍵因素[1-2]。在受到外界作用時，無機硬物質主要影響材料的強度，有機軟物質則影響材料的韌性，在材料斷裂前，兩種物質之間的耦合變形可以耗散大量能量[3]。借鑒貝殼珍珠層的微結構設計的保護裝置（如頭盔和防彈衣），在受到外界碰撞時能夠有效吸收和耗散外部的沖擊能量，從而減小傷害[4]。珍珠層軟/硬鑲嵌微結構可用于陶瓷、黏土等高強與聚合物高韌材料的復合，能夠實現高強高韌性能的結合，拓寬了結構材料領域[5]。珍珠層有機/無機界面復合材料還可用于陶瓷/金屬材料的疊層復合，很大程度提高了復合材料的斷裂韌性與斷裂功[6]。貝殼由內到外具有3層組織結構，如圖1(a)所示。外層是角質層，主要成分為有機質，作用是防止外界的腐蝕；中間層是棱柱層，主要成分為方解石，具有很高的強度；內層為珍珠層，該層有兩種結構，見圖1(b)，由文石片鑲嵌在有機物質中構成，具有比強度高、韌性好、止裂等獨特力學性能，其增韌機制主要包含裂紋偏轉及鈍化、無機質（文石片）拔出和有機質橋接[7-9]。Barthelat等[10]對紅鮑魚珍珠層進行電子顯微鏡掃描……