基于分子动力学的仿珍珠母长径比对力学性能影响的研究*

潘 慧 李景辉 温从众

(1安徽工业大学创新教育学院；2安徽工业大学冶金工程学院 安徽马鞍山 243000)

经过大自然不断的进化，珍珠母(Nacre)成为典型具有优异结构和力学性能的生物体系材料。珍珠母主要是由各种形状的文石片(主要成分是碳酸钙，体积分数约95%)和有机质基体以各种各样的形式堆叠而成[1-2]。但是，珍珠母的强度和硬度是其组分(文石片)的2倍，断裂能达到其成分碳酸钙的3000余倍[3]。层级结构是珍珠母具有如此优异的力学性能的主要原因，研究表明，特别是微纳米级尺度层级结构为材料的力学性能起到至关重要作用[4-6]。为此，许多学者围绕珍珠母结构的韧性增强机制进行了研究。Song等人发现矿物桥不仅可以增加断裂强度还能帮助裂纹实现偏转[7]，Katti等人通过有限元模拟发现韧性增加的另一因素是文石片的“自锁”结构[8]；Gao等人珍珠母结构中，大部分载荷由文石片承担，生物有机质起着传递载荷的作用，并由此提出一种“拉伸-剪切链(TSC)模型”[9]；Francois Bathelat提出了一种裂纹桥连和过程区微观力学的韧性模型，揭示微结构参数控制珍珠母的整体韧性[10-11]；Sina Askarinejad用实验和有限元模拟的方法研究了珍珠母tablet波纹度对整体韧性的影响[12]。自然界的生物材料同时拥有强度，硬度和韧性于一体，生物材料的这些闪光点使得科学家们对其不断的实验研究，并模拟其变形过程，为新合成材料的开发奠定理论基础[13]。仿生材料还需向工程材料转移，目前有学者研究了仿生金属基纳米复合材料的力学性能，但是仿生陶瓷基金属复合材料力学性能及失效机制的研究很少。……