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(zhì)及多糖等有機物組成，經(jīng)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(zhì)層，中層為棱柱層，最內(nèi)層為珍珠層。三個結構層中最外層的角質(zhì)層，很薄，主要由殼質(zhì)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(zhì)層內(nèi)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(zhì)構成，棱柱彼此平行并且柱間嵌有有機基質(zhì)。棱柱層的厚度隨貝殼的種類而變化。貝殼的最內(nèi)層由珍珠質(zhì)層構成。整個珍珠層由文石碳酸鈣小板片與層間有機基質(zhì)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(zhì)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(zhì)以及蛋白質(zhì)構成的有機框架相互交替組成層狀結構，而有機基質(zhì)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。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種方便簡單且樣品內(nèi)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(chǎn)生的內(nèi)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；圖4為本發(fā)明實施例1提供的鮑魚殼樣品的棱柱層(左圖)和珍珠層(右圖)的納米壓痕力學性能曲線圖；圖5為本發(fā)明實施例1提供的鮑魚殼樣品的三點抗彎(左圖)和斷裂韌性(右圖)的力學性能曲線圖；圖6為本發(fā)明實施例1提供的貝殼材料樣品的棱柱層和珍珠層的納米壓痕力學性能對比圖(左圖為不同位置的彈性模量；右圖為不同位置的硬度，其中的界面為棱柱層與珍珠層之間的界面)。具體實施方式本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過深入和廣泛的研究發(fā)現(xiàn)，通過將貝殼類材料在切割前用環(huán)氧樹脂包埋固定后再進行切割，之后經(jīng)過打磨拋光和超聲處理后得到的貝殼材料樣品具有顯著更少的內(nèi)部裂紋或者甚至完全沒有內(nèi)部裂紋，由此能夠制備更完美的用于貝殼材料微觀形貌和力學性能分析的樣品，并將其用于微觀形貌和力學性能的表征。基于上述發(fā)現(xiàn)，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。優(yōu)選地，使用的貝殼材料例如是鮑魚殼(紅邊鮑魚、青邊鮑魚、黑鮑魚等)、蛤蜊殼(北極貝、油貝等)扇貝殼(櫛孔扇貝、蝦夷扇貝等)、生蠔殼(美國生蠔等)。優(yōu)選地，用來包埋貝殼材料的環(huán)氧樹脂的實例包括但不限于作為冷鑲嵌料的環(huán)氧樹脂ab膠(例如，冷鑲嵌料可購自廣州蔚儀金相公司)。優(yōu)選地，使用金剛石線切割機從包埋固定后的貝殼材料樣品切出薄片樣品。優(yōu)選地，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，例如所述薄片樣品的尺寸為10*10*1mm。優(yōu)選地，在步驟a)中，先將貝殼材料用水沖洗干凈后，用例如5質(zhì)量％濃度的氫氧化鈉溶液浸泡例如約10min以去除殘余物如有機質(zhì)、微生物等，然后再浸泡于水中，洗凈并風干，接著再置于環(huán)氧樹脂中。優(yōu)選地，在步驟c)中，打磨拋光通過用不同目數(shù)的砂紙，例如依次使用4000目、6000目、8000目和10000目的砂紙進行。優(yōu)選地，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超聲處理。本發(fā)明還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；和對根據(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。例如，在本發(fā)明中，將經(jīng)打磨拋光和超聲處理后得到的樣品，使用光學顯微鏡進行微米尺度的形貌表征，其中在透射光模式下可以直接分辨出棱柱層和珍珠層以及棱柱層和珍珠層之間的分界界面；然后再采用掃描電子顯微電鏡對所制得的貝殼薄片的微觀形貌進行表征。貝殼類材料的結構高度有序并能適應自然界的特定環(huán)境，因此貝殼材料具有比一般材料更適合于軟體動物生存的特性。為了研究和表征貝殼材料的力學性能以及高度有序的貝殼材料結構與力學性能之間的關系，可進行納米壓痕、三點彎曲和斷裂韌性的測試。在本發(fā)明中，貝殼材料的納米壓痕測試、三點抗彎測試和斷裂韌性測試可以如下進行：納米壓痕測試使用agilentnanoindenterg200儀器，自動選點，選點距離1μm，取3組平行對比數(shù)據(jù)。三點抗彎測試使用instron5565a儀器，采用的控制方式是位移控制，以0.1mm/s的速度施加壓力，跨距12mm。斷裂韌性測試使用instron5565a儀器，測試前垂直施壓面方向向下切1mm斷裂口，采用的控制方式是位移控制，以0.1mm/s的速度施加壓力，跨距12mm。優(yōu)選地，用于納米壓痕測試的樣品保持垂直結構的完整性。更優(yōu)選地，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；其對厚度沒有要求，只要適合測試即可，例如為5*5*5mm的樣品。優(yōu)選地，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，例如為15*2*2mm的樣品。優(yōu)選地，對于測試斷裂韌性的樣品，在其中部的開口深度為≈1mm。更優(yōu)選地，當貝殼材料例如鮑魚殼較薄時，采用位移控制，以例如0.1mm/s的速度施加壓力，利用以下公式(1)可以計算出試樣的最大斷裂應力：ɑmax＝3pl/2bh2(1)其中，p為外加最大載荷(n)，b為試樣的寬度(mm)，h為試樣的高度(mm)，l為三點彎曲的跨度(mm)。為了進一步說明本發(fā)明，以下結合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。但本領域技術人員理解，這些實施例僅用于舉例說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍。在以下實施例中，使用貝殼材料例如鮑魚殼均為從市場上購得的經(jīng)過除肉質(zhì)后鮑魚殼。實施例1將從市場上購買的青邊鮑魚殼用自來水浸泡洗凈，并將經(jīng)過清洗處理過的鮑魚殼置于環(huán)氧樹脂ab膠，具體操作過程如下：將作為主體的環(huán)氧樹脂a膠與作為固化劑的b膠按質(zhì)量比10:8混合，并均勻攪拌至少30秒以形成白色糊狀混合物，然后小心地將該糊狀混合物傾倒入裝有10*10mm的鮑魚殼樣品的鑲嵌模具(購自廣州蔚儀金相公司)中，約10分鐘后環(huán)氧樹脂硬化，而在上述鮑魚殼被環(huán)氧樹脂包埋固定后，即可從模具中取出鮑魚殼樣品。采用金剛石線切割機(stx-202a，mti)，以垂直于鮑魚殼試樣的外表面方向切出10*10mm的樣品，其如圖1所示，圖1為本發(fā)明實施例1提供的切割得到的10*10mm鮑魚殼樣品包覆于環(huán)氧樹脂的數(shù)碼照片，下一步沿著黑色虛線的方向垂直于鮑魚殼面進行精細切割(厚約1mm)，對該薄片樣品的表面使用4000目的砂紙(購自3m公司)進行粗打磨后，再依次使用6000目和8000目的砂紙進行精細打磨，最后將打磨后的樣品用10000目的砂紙進行拋光。將拋光后的樣品放入乙醇中在超聲處理器(購自昆山超聲儀器kq-300da)中超聲處理30min，以進一步除去其表面的環(huán)氧樹脂，由此制得本發(fā)明的用于微觀形貌和力學性能分析的待測樣品。為了表征該待測樣品的表面微觀形貌，將上述制得的待測樣品使用光學顯微鏡(leicadm2700m)進行形貌觀察表征，其中透射光模式下可以直觀地分辨出棱柱層和珍珠層以及棱柱層和珍珠層之間的分界界面；然后采用掃描電子顯微電鏡進行微觀形貌的表征，其結果如圖2和圖3所示。圖2左圖為本發(fā)明實施例1提供的用金剛石線切割機切出的10*10*1mm的薄片樣品數(shù)碼照片；圖2右圖為薄片樣品的透射光學顯微鏡照片，通過透射光學顯微鏡照片可以清晰的看到棱柱層和珍珠層以及棱柱層和珍珠層之間的分界面。圖3為本發(fā)明實施例1提供的不同目數(shù)砂紙打磨拋光處理后的鮑魚殼樣品珍珠層的掃描電子顯微鏡照片，可以清楚地看到文石小板塊堆疊而成的“磚-泥”結構(圖3右上部分顯示放大視圖)，碳酸鈣小板塊的平均厚度400～600nm。為了表征該待測樣品的力學性能，對其進行納米壓痕測試、三點抗彎測試和斷裂韌性測試，其中在納米壓痕測試中保持待測樣品的垂直結構完整，樣品尺寸為5*5*5mm的正方體，測試結果如下表和圖4所示，圖4為本發(fā)明實施例1提供的鮑魚殼樣品的棱柱層(左圖)和珍珠層(右圖)的納米壓痕力學性能。彈性模量(gpa)硬度(gpa)棱柱層86.4±2.83.61±0.18珍珠層79.8±2.83.45±0.18由上表和圖4所顯示的結果可以看出，測試結果顯示青邊鮑魚殼的棱柱層和珍珠層的彈性模量分別是86.4和79.8gpa，硬度分別為3.61和3.45gpa。在三點抗彎和斷裂韌性測試中，樣品尺寸為15*2*2mm的薄片樣品，其中對于測試斷裂韌性的樣品，在其中部的開口深度為≈1mm，測試結果圖5所示，圖5為本發(fā)明實施例1提供的鮑魚殼樣品的三點抗彎(左圖)和斷裂韌性(右圖)的力學性能曲線圖。由圖5顯示的結果可以看出，青邊鮑魚殼的珍珠層的彎曲強度-應變和斷裂韌性曲線(r-曲線)的強度分別達到了267mpa和斷裂韌性為6.80mpam1/2。圖6為本發(fā)明實施例1提供的鮑魚殼樣品的棱柱層和珍珠層的納米壓痕力學性能對比圖，由圖6可以看出，棱柱層的彈性模量(左圖)和硬度(右圖)要高于珍珠層，棱柱層和珍珠層界面附近最低后隨著向兩邊彈性模量和硬度又逐漸增加。從以上圖1-6的微觀形貌和力學性能結果可以看出，表面微觀形貌完整無損壞，并且通過本發(fā)明的方法獲得的貝殼材料樣品中沒有大量裂紋出現(xiàn)，砂紙打磨拋光的方法簡單、易于操作、不產(chǎn)生廢液并且成本低廉。所獲得的樣品通過相關的表面形貌以及力學表征顯示出完好微觀表面和力學性能。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁12