复合材料应用背景
1.1复合材料研究现状分析
复合材料在性能上互相择善而从，产生共赢的效应，使复合材料的综合性能优于之前未组装材料，而满足各种生产生活以及科学研制，改进材料在今后的应用领域。如今的飞速发展脱离不了复合材料的进步，复合材料的发展，对于整个行业，甚至是国家的发展，都起到了至关重要的作用。复合材料的探索领域和适用范围及其产品的进步速度和规模，已成为衡量一个国家科研能力的强弱指标之一。由于复合材料具有轻质高强，耐化学腐蚀和耐温度变化等特点，已渐渐代替木材的制造以及近些年来铝合金的生产，大量应用于、汽车、电子电气、建筑、健身器材等高速发展领域，在近几年更是得到了国家的重点帮扶和培养，为我们实现中国梦强国梦贡献了不可磨灭的力量。因此，手动制备珍珠母材料需要投入大量的人力物力以及科研经费，我们国家广泛吸取国内外优秀学者的意见，致力于提高材料的性能，把其的潜力发挥到机制。查阅相关资料可以得知，应力传递是复合材料的内部保持力学性能的根本原理，这是来实现材料力学行为的控制的关键因素。
众所周知，像航空航天、汽车和国防等现代工业对于对高强度、高韧性复合材料的要求越来越高，同时要求材料不能减少损伤。保持其轻量化特性，同时极限承载能力和能量吸收能力，这为工程材料制造创造带来了新的挑战。所以我们找到了珍珠母材料强度的机理，通过先进的人造材料施工方法，使其结构和功能与天然材料相似，这是一门很重要的学科，具有极高的科学意义和工程应用价值[1-2]。
1.2复合材料应用背景
天然材料往往有着不同结构和形态的复杂微观层次结构，它们通过定的组合形成一个宏观整体，使得其拥有轻质、高稳定性和高韧性等精良材料性能[3]。贝壳材料作为一种典型的层次结构，其内部结构的排列非常精细。扫描电镜观察了科学里面这些贝类软体动物的贝壳和发现，主要包括三层：主要成分是分层的方解石坚硬的碳酸钙和脆弱的柱形构成第二壳层结构和整体结构作为支撑[5，6]。第三层是珍珠的贝壳层,其中主要成分是碳酸钙结晶石起,矩阵之间的相邻有机质是相连的,因此,这种结构抵抗形变的能力强、能量的耗散体现的更好。可以避免在外界作用下导致的灾难性破坏[2]。科学家们对贝壳珍珠层微观结构进行了相关研究。
图1-1,贝壳内部微结构[16]
1.3复合材料在仿生学方面的应用
生物体经过大自然成千上万年的进化，其结构和功能越来越完善，经过自然法则筛选而幸存下来的的生物都具有良好的环境适应能力。随着社会的发展，目前，在船舶、军工等领域，由于目前的材料与设计理念已不能满足上述生产需求，而生物天然的优势与能力，为人类提供了新的设计理念。为使材料与功能符合人类的设计需求，科学家从环境中的生命体结构中探索新的生产方案。
近年来，国内外学者对各种天然材料进行了大量的研究，他们所研究的结果说明，天然材料主要是由两种物质构成，而各种天然材料又具有复杂的内部组织，因而具有良好的力学特点。目前天然材料的这种多组分结构己经一些实际应用[4-6]。如建筑学家模仿蛋壳的拱形结构设计了薄壳结构建筑；一种用于探测航天飞机驾驶室气体组成的微型气体分析仪，它是一种基于昆虫嗅觉的结构与功能而研制的；蜻蜓机翼的微结构是为了模仿蜻蜓的机翼标记而开发的；通过在飞机的两个机翼上安装平衡锤来解决高速飞行时的振动问题。
综述了仿珍珠母复合材料在模拟方面的进展情况，主要关注了此类仿生复合材料的保持极高的稳定性和抵抗破坏能力的根本原因，重点研究了影响其材料性能的的核心要素之一就是它的高韧性，也就是抵抗破坏的能力，其核心的稳定机制如图1-2所示。因此，了解其抗断裂能力，将有助于指导材料的合成和今后的发展。很多国内外的学者都在加大力度去研究人体的内部构造，Currey 等提出了几种提高其为韧性的重要理论，与前人研究的不同，主要研究方向为塑性生产、裂纹移动等裂纹集中区域。目前，对珍珠母增韧机理的研究多集中在裂纹偏转和桥接两方面。同时，还发现了层间的滑移和接触带的形成，这是其主要的韧性机理。在众多的增韧机理中，裂纹偏移是一项重要的增韧机理。
图1-2 珍珠母中的变形机制
海洋软体贝的结构是通过外壳膜分泌有机大分子，间接来来控制无机矿物的产生，俗称为“生物矿化”或“细胞外钙化”。根据以往的经验可知，在过饱和水的作用下，晶体可以自行形成自己的微结构，但这一过程在实际的产生过程中很难形成，而且水溶性也很大。由于生物矿化的作用，会使有机矿物和无机矿物之间的微结构结合在一起，使得海洋软体贝拥有了其他材料所不具备的韧性，而生物矿化对其他条件的要求也十分低，因此可以节省合成能量，减少合成过程中结构能量的耗散。通过分析，可以发现，在生物矿化过程中，生物结构没有形成规则排列，在海洋软体贝的结构中而是由有机大分子作为主要的结构，通过控制晶体的形状、排列、内部结构等特性。生物体对生物矿化作用的生产程度可以划分为生物诱矿化和生物控矿化两种矿化，这两种矿化的生产过程基本相似，都是生物体利用自身的新陈代谢，创造一个适合自己生长的微环境，从而导致矿物质的矿化。
图1-3贝壳矿化模型
蛋白质等有机大分子与矿物的成核、结晶和生长有关，这些大分子的存在是模型有独特力学性能的根本之一。海洋软体贝的生物矿化作用是由生物本身的结构所控制的。图1-3阐明了不同层与层之间的相互作用，内部是大分子与小分子的随机组合，由于结构本身的特殊性，合成了层状堆叠的复杂的内部生物结构，将其分成六个主要的阶段：丝状材料是以胶体的独特结构存在，，再由有序的内部复杂结构决定矿化的具体方向。Addadi等还对贝类的生长与进化进行了大量的探讨，包括有机物质组合的情况，矿物相形成的情况，单独文石板片成核对材料的整体结构的影响，以及最后所体现的文石板片在生物组织中的有机生长。其矿化前和矿化后的模型图如图1-4所示。
图1-4贝壳矿化的模拟图
通过细胞共同作用，实现了海洋软体贝有机质基质的自组装。细胞先把甲壳素运输至一个特殊空间，这个空间被称为外胞空间，并且空间内的细胞都分别担任一种复杂的矿化作用，来为后续的材料力学性能服务，但尚未得到证实。通过大量的贝类实验，人们发现，几丁质纤维的排列比单个细胞的大小要大，因此，几丁质的块状结构是由邻近的细胞共同控制的。同时，在细胞内也会释放出其他的有机物，它们会在一定的条件下与甲壳素进行交联。此外，由于丝芯蛋白的加入，使其充满了空隙，使内层片层的连续性和均一的间距保持一致。所以，在不同的环境下，晶体的形成与成长是同步的。丝-胶体是一种矿化抑制剂，它能抑制不受控制的晶体向微粒的转化。一般认为，生物矿化过程十分复杂，在这个过程中需要的大分子、原子等微小粒子通过细胞内部结构，以及细胞膜的穿透，从而达到向细胞外的液体输送，并在基质中进行晶体化。
在特定的位置上，有机质的成核位比其他的带电部位更有利于晶粒的形成。珍珠质的位置在单一的文石薄片中心含有硫酸盐和梭状物的有机质薄膜上，这是由于丰富的 ASP蛋白所致，此外，无结构的硫酸盐对海洋软体贝也十分重要，在内外结构下还能吸引钙离子进入矿化位。在进入矿位后，文石型核集中的部分所生成的抗体与结晶印迹的基质中心相对应，在这种协同作用下，得到了该蛋白在形成核的历程中的形核效应，符合前文人们所猜测的观点。
图1-5 贝壳微观结构类型
到目前为止，关于仿贝壳珍珠层复合材料和结构的研究主要集中于准静态和数值模拟方面，对该类材料和结构在中高速冲击载荷下的裂纹扩展、失效机制和增韧机制的研究相对较少。但是，贝类生物在现实中却要承受捕食者的各种不同形式的攻击，这就要求贝壳珍珠层能够承受一定的冲击载荷.所以，对贝类及其仿生复合材料的在动态冲击载荷作用下动态行为研究具有重要意义。
参考文献
[1] 崔福斋.生物材料学[M]清华大学出版社，2004
[2] 雷云.球霹石型碳酸钙的研究进展[[J].长江大学学报(自科版)，2014.
[3] 王立铎，孙文珍，梁彤翔，等仿生材料的研究现状,材料工程，1996(2): 3-5.
[4] 刘睿.仿生贝壳珍珠质材料的制备[D].浙江大学，2012.
[5] 马玉荣.海胆牙齿的生物矿化研究[C].中国化学会第27届学术年会第3分会场摘要集.
[6] Des Marais DJ, Strauss H, Summons RE, Carbon isotope evidence for the stepwise oxidation of the Proterozoic environment[J]. Nature, 1992, 359: 605-609.
