[发明专利]贝壳材料微观形貌和力学性能分析的样品制备和表征方法

说明书

技术领域

本发明属于生物材料领域，尤其涉及贝壳材料微观形貌和力学性能分析的样品制备和表征方法。

背景技术

贝壳主要由天然复合材料无机钙盐(CaCO₃)和有机蛋白质及多糖等有机物组成，经过亿万年的选择进化，其天然优化的微结构拥有高强度、高刚度及高断裂韧性等优异力学性能，是典型的天然陶瓷生物复合材料。这种天然陶瓷生物复合材料引人注目之处在于其强度与纯文石相当，而断裂韧性却提高了2～3个数量级。贝壳的结构主要由三部分构成，最外一层为角质层，中层为棱柱层，最内层为珍珠层。

三个结构层中最外层的角质层，很薄，主要由壳质蛋白构成，保护紧贴它的棱柱层免受水环境中某些离子的侵独。紧贴角质层内侧的是棱柱层，由垂直于贝壳壳面的极细的柱状方解石晶体和有机质构成，棱柱彼此平行并且柱间嵌有有机基质。棱柱层的厚度随贝壳的种类而变化。贝壳的最内层由珍珠质层构成。整个珍珠层由文石碳酸钙小板片与层间有机基质层层交叠而成，并且小板片的板面平行于贝壳的壳面。珍珠质层的断面结构显示出了明显的“砖-泥”结构。文石小板片与多糖有机基质以及蛋白质构成的有机框架相互交替组成层状结构，而有机基质在控制文石小板片的厚度，形貌和取向上起到非常关键的作用。

表征贝壳材料的不同层的跨尺度结构形貌为下一步的仿生复合材料的构建提供可靠的形貌参考，而相关的力学实验则侧重于研究贝壳材料的增韧机制。

目前除机械打磨方法外，最为常用的表面处理方式为使用冰乙酸、乙二胺四乙酸(EDTA)等有机化合物进行表面腐蚀，存在贝壳材料样品碎裂的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便简单且样品内部裂纹显著更少的用于贝壳材料微观形貌和力学性能分析的样品的制备和表征方法。

为此，在一方面，本发明提供一种用于贝壳材料微观形貌和力学性能分析的样品的制备方法，包括以下步骤：

a)将用水洗净后的贝壳材料置于环氧树脂中以使所述贝壳材料被环氧树脂包埋固定，得到包埋固定后的贝壳材料样品；

b)从所述包埋固定后的贝壳材料样品切出薄片样品；

c)将所述薄片样品打磨抛光并超声处理以除去其上的环氧树脂，得到用于微观形貌和力学性能分析的待测样品。

在一个优选方面，所述贝壳材料是鲍鱼壳、蛤蜊壳、扇贝壳或生蚝壳。

在一个优选方面，使用金刚石线切割机从所述包埋固定后的贝壳材料样品切出薄片样品。

在一个优选方面，在步骤b)中，切出的所述薄片样品的长度为5～20mm、宽度为5～20mm且厚度为0.5～3mm。

在一个优选方面，在步骤a)中，将所述样品用水冲洗干净后，用氢氧化钠溶液浸泡以去除残余物，再用水浸泡、洗净并风干，然后再置于环氧树脂中。

在一个优选方面，在步骤c)中，所述打磨抛光通过用不同目数的砂纸进行。

在一个优选方面，通过将打磨抛光后的所述薄片样品浸泡在乙醇、丙酮、己烷、四氢呋喃、乙二醇或乙酸乙酯中进行所述超声处理。

在另一方面，本发明提供了一种用于贝壳材料微观形貌和力学性能分析的样品的表征方法，包括：

对根据上述制备方法获得的待测样品使用光学显微镜和扫描电子显微电镜进行微观形貌表征；

对根据上述制备方法获得的待测样品进行纳米压痕测试、三点抗弯测试和断裂韧性测试以表征其力学性能。

在一个优选方面，用于所述纳米压痕测试的样品的长度为3～10mm且宽度为3～10mm。

在一个优选方面，用于所述三点抗弯测试和断裂韧性测试的样品的长度为10～20mm、宽度为1～5mm且厚度为1～5mm。

本发明方法将金刚石线切割、环氧树脂包埋固定和砂纸打磨抛光应用于制备表面形貌完整的贝壳材料试样，具有简单、廉价、易操作等优点；同时相比于现有方法，通过本发明方法制备的待测样品产生的内部裂纹显著更少或甚至没有裂纹。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的切割完后的10*10mm鲍鱼壳材料样品包埋于环氧树脂的数码照片，中间方形部分为贝壳材料样品，外围为包埋该贝壳材料样品的固化后的环氧树脂；

图2为本发明实施例1提供的用金刚石线切割机切出的1mm厚度的薄片样品(左图；注：整个方块部分为薄片样品，中间显示了用于夹持该样品的镊子背景)以及透射光学显微镜照片(右图)；

图3为本发明实施例1提供的不同目数砂纸打磨抛光后鲍鱼壳试样的扫描电镜照片，其中右上部分为放大视图；