1.1.4 贝壳

贝壳的种类很多，有着复杂的结构，都表现出优异的力学性能，引起了科学家的广泛关注。贝壳材料的抗压强度高过抗拉强度6 000多倍，贝壳块体所具有的断裂功大约是作为它基本成分的碳酸钙晶体的断裂功的3 000倍。这一优异的力学性能，使得研究贝壳的微结构和性能的关系，成为当今世界材料仿生设计研究中的一个热点问题，也被誉为“生物矿化研究领域的皇冠上的明珠”。实际上，贝壳也可以看做是一种天然的梯度结构材料。

贝壳具3层结构，如图1-4所示，外层为角质层，主要由硬化蛋白质组成，厚度极薄；中层为棱柱层，由定向的柱状方解石组成；内层为珍珠层，由文石板片组成。

图1-4 贝壳外形与内部显微结构

在棱柱层中，棱柱的直径为30~50 μm，厚度约为200 μm。棱柱层由大小不一、形状有差别的六棱柱紧密排列组成，棱柱的每个面由薄层有机质黏接在一起。不同蚌类的贝壳中棱柱层排列都是一样的，仅叠片和棱柱的大小与厚度有差别。

珍珠层的最基本结构单元是文石板片，一般多呈六边形、浑圆形、棱形及不规则多边形等。在不同种类的软体动物中，小板片的粒度变化不大，一般直径为2~10 μm，厚度为0.5~0.7 μm。板片在二维方向上排列形成微层，进而形成了珍珠层。在珍珠层中，总量(质量分数)只占1%~5%的薄层有机质充填于无机相之间，正是这微量的有机质控制了珍珠层的形成，并使其具有优异的力学性能，珍珠层结构如图1-5所示。

图1-5 贝壳珍珠层

当断裂发生在垂直于文石层的方向上时，文石片的层状结构使裂纹发生偏转，提高了材料的韧性。另外，断裂主要沿垂直于文石层的界面发生，在裂纹偏转的同时常常伴随着文石片拔出，层片之间黏结力阻碍了裂纹的扩展。珍珠层中，有机基体与相邻的文石层彼此黏合，有机相与文石片之间存在着强的界面，从而增大了相邻文石层之间的滑移阻力。同时，有机相的存在降低了裂纹尖端的应力场强度因子，阻碍了裂纹的进一步扩展[5,13~15]。