[發(fā)明專利]貝殼材料微觀形貌和力學性能分析的樣品制備和表征方法

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• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107300497A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設計）人: 姚宏斌;譚一弘
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N1/32
• 分類號: G01N1/32;G01N1/34;G01N33/483
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 吳勝周

技術領域

本發(fā)明屬于生物材料領域，尤其涉及貝殼材料微觀形貌和力學性能分析的樣品制備和表征方法。

背景技術

貝殼主要由天然復合材料無機鈣鹽(CaCO₃)和有機蛋白質及多糖等有機物組成，經過億萬年的選擇進化，其天然優(yōu)化的微結構擁有高強度、高剛度及高斷裂韌性等優(yōu)異力學性能，是典型的天然陶瓷生物復合材料。這種天然陶瓷生物復合材料引人注目之處在于其強度與純文石相當，而斷裂韌性卻提高了2～3個數(shù)量級。貝殼的結構主要由三部分構成，最外一層為角質層，中層為棱柱層，最內層為珍珠層。

三個結構層中最外層的角質層，很薄，主要由殼質蛋白構成，保護緊貼它的棱柱層免受水環(huán)境中某些離子的侵獨。緊貼角質層內側的是棱柱層，由垂直于貝殼殼面的極細的柱狀方解石晶體和有機質構成，棱柱彼此平行并且柱間嵌有有機基質。棱柱層的厚度隨貝殼的種類而變化。貝殼的最內層由珍珠質層構成。整個珍珠層由文石碳酸鈣小板片與層間有機基質層層交疊而成，并且小板片的板面平行于貝殼的殼面。珍珠質層的斷面結構顯示出了明顯的“磚-泥”結構。文石小板片與多糖有機基質以及蛋白質構成的有機框架相互交替組成層狀結構，而有機基質在控制文石小板片的厚度，形貌和取向上起到非常關鍵的作用。

表征貝殼材料的不同層的跨尺度結構形貌為下一步的仿生復合材料的構建提供可靠的形貌參考，而相關的力學實驗則側重于研究貝殼材料的增韌機制。

目前除機械打磨方法外，最為常用的表面處理方式為使用冰乙酸、乙二胺四乙酸(EDTA)等有機化合物進行表面腐蝕，存在貝殼材料樣品碎裂的問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種方便簡單且樣品內部裂紋顯著更少的用于貝殼材料微觀形貌和力學性能分析的樣品的制備和表征方法。

為此，在一方面，本發(fā)明提供一種用于貝殼材料微觀形貌和力學性能分析的樣品的制備方法，包括以下步驟：

a)將用水洗凈后的貝殼材料置于環(huán)氧樹脂中以使所述貝殼材料被環(huán)氧樹脂包埋固定，得到包埋固定后的貝殼材料樣品；

b)從所述包埋固定后的貝殼材料樣品切出薄片樣品；

c)將所述薄片樣品打磨拋光并超聲處理以除去其上的環(huán)氧樹脂，得到用于微觀形貌和力學性能分析的待測樣品。

在一個優(yōu)選方面，所述貝殼材料是鮑魚殼、蛤蜊殼、扇貝殼或生蠔殼。

在一個優(yōu)選方面，使用金剛石線切割機從所述包埋固定后的貝殼材料樣品切出薄片樣品。

在一個優(yōu)選方面，在步驟b)中，切出的所述薄片樣品的長度為5～20mm、寬度為5～20mm且厚度為0.5～3mm。

在一個優(yōu)選方面，在步驟a)中，將所述樣品用水沖洗干凈后，用氫氧化鈉溶液浸泡以去除殘余物，再用水浸泡、洗凈并風干，然后再置于環(huán)氧樹脂中。

在一個優(yōu)選方面，在步驟c)中，所述打磨拋光通過用不同目數(shù)的砂紙進行。

在一個優(yōu)選方面，通過將打磨拋光后的所述薄片樣品浸泡在乙醇、丙酮、己烷、四氫呋喃、乙二醇或乙酸乙酯中進行所述超聲處理。

在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于貝殼材料微觀形貌和力學性能分析的樣品的表征方法，包括：

對根據(jù)上述制備方法獲得的待測樣品使用光學顯微鏡和掃描電子顯微電鏡進行微觀形貌表征；

對根據(jù)上述制備方法獲得的待測樣品進行納米壓痕測試、三點抗彎測試和斷裂韌性測試以表征其力學性能。

在一個優(yōu)選方面，用于所述納米壓痕測試的樣品的長度為3～10mm且寬度為3～10mm。

在一個優(yōu)選方面，用于所述三點抗彎測試和斷裂韌性測試的樣品的長度為10～20mm、寬度為1～5mm且厚度為1～5mm。

本發(fā)明方法將金剛石線切割、環(huán)氧樹脂包埋固定和砂紙打磨拋光應用于制備表面形貌完整的貝殼材料試樣，具有簡單、廉價、易操作等優(yōu)點；同時相比于現(xiàn)有方法，通過本發(fā)明方法制備的待測樣品產生的內部裂紋顯著更少或甚至沒有裂紋。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1提供的切割完后的10*10mm鮑魚殼材料樣品包埋于環(huán)氧樹脂的數(shù)碼照片，中間方形部分為貝殼材料樣品，外圍為包埋該貝殼材料樣品的固化后的環(huán)氧樹脂；

圖2為本發(fā)明實施例1提供的用金剛石線切割機切出的1mm厚度的薄片樣品(左圖；注：整個方塊部分為薄片樣品，中間顯示了用于夾持該樣品的鑷子背景)以及透射光學顯微鏡照片(右圖)；

圖3為本發(fā)明實施例1提供的不同目數(shù)砂紙打磨拋光后鮑魚殼試樣的掃描電鏡照片，其中右上部分為放大視圖；