海洋生物无机矿物多孔结构及其材料仿生学基础研究——以海胆、珊瑚为例

Inorganic materials derived from marine organisms always have superior performances when compared with their artificially synthetic counterparts because of their fine structures. So the structural bionics of the marine mineral has guiding significance for the preparation of high performance ceramic materials. In this project, the porosity, pore structure, mineral composition and micro-mechanical response of sea urchins and coral inorganics will be characterized by some state-of-art techniques (Micro - CT, back scattering diffraction of SEM, in situ loading device, etc.). The finite element model will be built based on the geometric parameters of sea urchin (coral) bones along the X axis (principal axis)，which will be used to simulate the relationship between their space structures and mechanical properties, and will be compared to the stress analysis resulting from the three dimensional structure obtained by scanning using Micro-CT. Meanwhile, the in situ tension (compression) loading device will be employed to explore the quantitative relationship between the structure and mechanical response of the bones through measuring the strain and the microstructure change of the porous material under stress. The dependence of mechanical properties upon the inorganic network structure will be fully determined, providing reliable support for bionics design of filling composites based on the characters of sea urchin shell bone or the coral bone.

与人造无机材料相比，海洋生物无机材料具有优越的性能，这与它们精美的矿物构造有关，因此对海洋生物矿物结构的仿生研究对制备高性能陶瓷材料具有指导性意义。本课题将结合先进的测试方法（Micro-CT、原位拉伸装置、背散射衍射仪等）对海胆、珊瑚硬组织的孔隙率、孔隙结构、矿物组成、微观力学响应等进行表征。探索海胆（珊瑚）骨骼的几何结构特点随X轴（主轴）的变化规律，建立数学关系和有限元模型，模拟预测其力学性能与组织结构的关系，并与Micro-CT扫描的实体三维模型进行比较。同时，使用原位拉伸（压缩）装置观测这些多孔材料真实应力下应变、结构的变化，并与计算结果分析比较，探索其结构与力学响应的定量关系，以确定无机网络结构特点与其力学性能之间的联系，为海胆壳骨型或珊瑚骨型填充状两相复合材料的设计提供可靠的仿生学依据。

海洋生物外壳经过数亿年的进化，可在温和的海洋环境中利用简单的无机物碳酸钙和少量的有机质组装成复杂精巧的多级复合结构，具有高强度和高韧性等优异力学性能，从而成为材料、化学、生物等领域的研究热点。随着科技的发展，传统材料难以满足一些工程的特殊需求，多功能且高性能的新型材料亟待开发。海洋生物外壳的形貌、组分和结构不仅为仿生材料的设计提供了灵感，同时也为人工材料的合成提供了重要的参考价值。本项目以中国南海海域常见的海洋生物无机矿物外壳（海胆、贝壳等）为研究对象，从无机骨骼分级结构角度将其从宏观到微观进行分级。采用数码相机、偏光显微镜、扫描电镜等表征仪器，以及图像分析和数学软件，将海洋生物外壳各级结构几何特征数字化，结合有限元法和仿生模拟实验对海洋生物外壳结构及其力学行为的关系进行深度剖析，同时对其无机成分、有机质含量和微观结构进行表征和测定，对其弯曲强度、抗压强度、断裂韧性和硬度等力学性能进行评估，并深入分析深海贝壳经过矿化作用后，其物理和化学性能的变化，提出贝壳的矿化机制。最后，采用常温烧结法制备具有矿物桥结构的仿生氧化铝陶瓷材料，研究贝壳中矿物桥结构对提高材料强度和硬度的效果。本项目不但为海洋生物外壳仿生的材料和工程设计提供了理论依据，也为其他生物壳的结构分析提供了新的方法和思路。