文摘

在鲍鱼壳珍珠层展品高韧性,尽管其主要成分的脆性性质(即。霰石)。其具体结构的能量吸收能力是一个主要贡献者珍珠层。本文综述背后的机制下珍珠层的剪切性能,单轴拉伸、压缩和弯曲的条件。非凡的组合刚度和韧性在珍珠层可以激励bioinspired建材的发展对于耐冲击的应用程序,和可能的韧性设计的水泥基复合材料和面膜泥分层和交错结构进行了讨论。

1。介绍

鲍鱼珠层内层鲍鱼壳,它可以帮助维持壳外部负载下的完整性,从而保护软体动物。虽然由至少95%的霰石的重量,珍珠层展品高韧性是霰石在不影响强度的1000倍(1]。此外,珍珠层的抗压强度比抗拉强度范围从1.5到3,这是小得多的比传统的单片陶瓷(范围:地位)和普通混凝土(范围:15)2]。珍珠层的杰出的机械性能通常被认为是由于珍珠层的层次结构在纳米和微程序级。珍珠层结构的启发,人造复合材料开发和增强韧性,如bioinspired玻璃和陶瓷技术(3- - - - - -7]。然而,非常有限的工作进行了这种自然原理应用于建筑材料,如水泥基的韧性设计和面膜泥材料。

本文讨论了层次结构的力学行为的影响珍珠层基于现有的出版物。学习鲍鱼珍珠层的性能的潜在机制将有助于设计nacre-like建筑材料结合强度和韧性。建筑物遭受地震时,影响,或爆炸荷载,这些材料可以帮助减少故障的发生率,提高公共安全。

2。鲍鱼珠母贝

2.1。结构特点

鲍鱼珠母贝是层次结构的材料由霰石平板层和薄的生物有机夹层,如图1。每个平板层由多边形霰石约5 - 8的平板电脑μ0.5米直径μ米厚度;邻国之间的间距平板电脑是大约5海里2]。此外,平板电脑在相邻层略交错而不是随机堆放或完全8]。透射电子显微镜(TEM)显示,平板电脑霰石的表面不平坦但明显波浪,其粗糙度可达到振幅超过200海里的平均厚度平板电脑450海里时,和平板电脑的波纹高度适形,相邻层的平板电脑能装在一起(9]。

在纳米尺度上,有机层间厚度约20 - 50 nm,多孔,具有孔直径约50纳米的2]。霰石桥梁(图2(一个))连接霰石平板层通过层间(10),和霰石粗糙表面的平板电脑(图1(c))形成纳米尺度的岛屿,直径大约有30 - 100海里,在振幅10 nm, 60 - 120 nm (11]。此外,在一些平板电脑的外围,dovetail-like特性(图2 (b))产生的波浪状的界面中可以观察到二维横截面的珍珠层(8]。此外,旋转nanograins平均晶粒尺寸32 nm霰石平板电脑内发现了李et al。12)使用原位动态原子力显微镜(AFM)。

2.2。机械的反应

珍珠层的突出的力学性能是Currey[第一次证明了13),深入研究在过去的二十年里。Sarikaya [14)进行弯曲测试红鲍鱼珠母贝和获得的断裂韧性MPa·米^1/2,这比单片CaCO高出8倍₃和更高的比混凝土(约0.2 MPa·m^1/2(15])。一些实验数据获得机械测试(如紧张、压缩、剪切和弯曲)收集基于可用的引用和表所示1。尽管在不同的值在表的引用1略,甚至明显不同可能由于实验室设备的多样性或标本,一些一致性仍然可以发现:(i)珍珠层是各向异性的力学响应,根据对部队的方向相对于表面的霰石平板电脑;(2)在紧张和剪切载荷下,鲍鱼珠母贝展品前相对较大的非弹性变形破裂;(3)线性弹性响应(E= 10 - 80 GPa)值得注意的是,考虑到低杨氏模量((16软夹层的])。此外,表1还表明,珍珠层的动态抗压强度是其静态抗压强度高于50%。

2.3。潜在机制

2.3.1。剪切

表1表明鲍鱼珍珠层的抗剪强度远低于抗压和抗拉强度,但伴随着一个相对较大的非弹性变形。看来之间的界面剪切平板电脑占据了珍珠层的剪切强度和变形机制。受到剪切加载时,界面屈服前其次是平板电脑的相对滑动层(18]。平板电脑的微尺度波度可能充当障碍平板滑动,和横向扩张的平板电脑是由于生成的压缩(图3(一个)),它可以进一步阻碍平板电脑滑动。这些机制有利于珍珠层发起新的滑动网站,统一分发非弹性菌株、本地化和减轻损害。

王等人。11)报道,粗糙表面的平板电脑是珍珠层的剪切阻力的主要来源,也是主要因素初始应变硬化。然而,表面微凸体的意义是不支持的Barthelat et al。16),由于滑动距离归因于表面微凸体(20 - 25海里)比观察平板滑动距离小得多(100 - 200 nm)剪切载荷作用下。

珍珠层的薄多孔有机材料是传统上被视为胶保持凝聚力的平板电脑在一个大的分离距离(11,19]。但是,迈耶斯et al。2)报道,有机层的主要作用珍珠层的力学行为是将霰石矩阵细分到平板电脑,和胶水的效果不显著。

2.3.2。张力

鲍鱼珍珠层的响应撤军失败的张力是预防的关键。拉伸载荷作用下沿平板平面(图应用3 (b)),应变硬化率和观察到的平板电脑都不到的剪切滑动距离,在张力剪切接口(重叠区域)仅占30%的界面区域。周围的非弹性变形的息差大量裂缝和缺陷,产生了许多“白色张力线”(11]。

dovetail-like特性的一些平板电脑通常被认为是一个关键因素珍珠层的表现张力,因为它能产生进步的联锁,导致三轴应力状态的滑动区域阻碍平板分离(8]。然而,Barthelat和埃斯皮诺萨(1报道相吻合的角度是很小(约1 - 5°),以便锁定和硬化功能弱。

歌等。20.)报道,矿物桥片层之间显著增强弱者有机夹层,从而增强珍珠层的抗拉强度。然而,林和迈耶斯(21)不赞成这种矿物桥的存在,和Katti et al。22]认为矿物桥边际效应在珍珠层线性和非线性响应,随着矿物接触了很久以前收益率在珍珠层。

张力测试的结果由李et al。12)表明,旋转和变形nanograins显著受益珍珠层的能量耗散。然而,Barthelat et al。9)指出,nanograins的主要作用是保持平板完整性在变形过程中,而不是直接影响珍珠层的整体变形。

2.3.3。压缩

当珍珠层受到压缩载荷垂直于平板表面平面,逐渐发生故障时由于沿着有机层间裂纹偏转17]。的机制是,如果出现裂纹并试图通过珍珠层,其方向沿弱将被迫改变蛋白质层而不是通过相对僵硬迅速发展平板电脑。因此,将成立一个曲折的道路,一个尖锐的裂纹将取而代之的是大量的小裂缝在广泛的区域(图4(一)),分散实施力,减轻压力浓度。当压缩加载平板表面平面平行,抗压强度的值低于垂直的条件,可以解释为塑料微粒屈曲(图4 (b))。

2.3.4。弯曲

当一个鲍鱼壳承受局部压正常外壳表面,整个外壳可以理想化的弯曲应力。在这种情况下,硬的外层壳珍珠层内压缩和紧张(图4 (c));因此,鲍鱼壳的弯曲损伤机制可能涉及内部和外部外壳的抗压和抗拉强度,分别。

3所示。韧性设计建筑材料

水泥基、面膜泥材料,如混凝土和建筑瓷砖常用的建筑材料在土木工程。尽管它们可以具有抗压强度高,他们容易受到灾难性的失败是由于固有的脆性。珍珠层的断裂机制的启发,我们建议水泥基和面膜泥建筑复合材料分层和交错结构像珍珠母可能提高断裂韧性。为了实现这个结构,薄和软弱夹层应该介绍了构建复合促进层滑动和偏转裂纹增长,和硬层应该划分到多个瓦片,防止断裂表面穿越整个层。此外,长度比单个瓷砖厚度应该足够高的提高层间凝聚力而不是太高导致过早瓷砖失败。

本文的作者最近研究了影响反应的建筑陶瓷复合nacre-like结构通过落锤试验和探索潜在使用的陶瓷复合对混凝土保护层对高速弹丸的影响(23]。分层和交错的复合结构由建筑陶瓷马赛克瓷砖(cmt)和软胶,模仿僵硬的霰石平板电脑和珍珠层的有机物质,分别(见图5)。实验结果表明,该陶瓷复合材料表现出显著提高抗冲击性较简单的分层分区组成的陶瓷复合砖层与保护层混凝土目标显示优越的完整性和高度降低穿透深度与那些没有保护层。自从cmt的建材市场有各种各样的大小、形状、厚度,他们将有利于未来实验研究最优多边形形状,长宽比,和重叠长度瓷砖的分层和交错结构复合材料。

根据弹道测试结果(23],弹丸穿透深度的混凝土可以减少高达77.3%的保护层。这意味着保护下的混凝土构件的设计厚度可以大大减少,这将有助于降低混凝土材料的成本。此外,碎瓦可以分开相邻的瓷砖在围内的径向裂缝影响瓷砖粘合剂时具有相对大的断裂伸长率(见图6在战争时期),维修成本将会降低。然而,cmt的售价大约是70元/米²,这是高于混凝土;虽然只有少量的粘合剂材料需要准备建筑陶瓷复合材料、环氧树脂胶和硅酮密封剂的单位价格相对较高;此外,建筑陶瓷复合材料的生产过程是复杂的;因此,材料和施工成本可能限制的应用程序组合。降低材料成本,有必要寻找替代材料,水泥基材料是一个不错的选择由于其相对较低的成本和高强度。

研究了多层水泥基复合材料的耐冲击近年来(24,25]。据报道,分层或功能梯度水泥基复合材料表现出更好的性能与高速度的影响与整体水泥基材料。然而,分层结构不足以提供非弹性变形。学习从珍珠层,水泥基复合可以设计成一个分层和交错结构用混凝土或砂浆瓷砖(图7(一)),这样的组合也可以用作对冲击荷载对混凝土保护层(图7 (b))。此外,薄夹层材料的属性会影响复合材料的失效行为:刚性夹层(如水泥砂浆具有高弹性模量)可以促进能源传输但支安打,降低复合材料的能力;弹性层间(如低弹性模量的橡胶砂浆)能够支持的大变形,但成本降低复合材料的刚度。因此,层间材料的选择应取决于加载条件和综合的服务需求。水泥基复合保护层的疗效有待进一步的调查研究。

4所示。结论

在鲍鱼壳珍珠层,主要包括脆性霰石,显示了高韧性和显著的不适应性。机制在不同的长度尺度对珍珠层的整体机械的反应作出贡献。在微程序级,珍珠层的格式良好的层次结构可以转移裂缝和延长裂纹扩展,消耗了大量的能源;在纳米尺度上,平板滑动被认为是杰出的非弹性变形机制。

珍珠层的结构可以作为水泥基的韧性设计的仿生模型和面膜泥建筑复合材料。这个结构会导致裂缝的挠度和延迟复合的失败。建筑陶瓷与nacre-like复合结构显示改善耐冲击,同时也有可能被用于结构表层和次表层的爆炸和弹道的保护。混凝土分层和交错结构的功效为耐冲击应用程序需要进一步调查。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。