雞喙微結(jié)構(gòu)的韌性機(jī)理研究

朱體朋++陳斌++方仲祺

摘要：指出了雞喙是一種大自然中常見的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、剛度以及斷裂韌性等優(yōu)越力學(xué)性能。雞喙的優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)于雞喙內(nèi)部的優(yōu)良微結(jié)構(gòu)。利用掃描電鏡（scanning electron microscope， SEM）對雞喙內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)雞喙由堅固的骨外壁和多孔的內(nèi)部蜂窩結(jié)構(gòu)組成，其大的斷裂韌性等力學(xué)性能優(yōu)點主要來自于堅固的骨外壁。對骨壁的觀察顯示其是一種主要由膠原蛋白和羥基磷灰石構(gòu)成的復(fù)合材料。羥基磷灰石在雞喙內(nèi)部呈層狀并以平行于外表面的方式排列。而這些羥基磷灰石層又是由無數(shù)的扁平羥基磷灰石片平行堆疊而成。基于掃描電鏡觀察到的結(jié)構(gòu)，通過建立相似的片狀堆疊模型并進(jìn)行了力學(xué)行為分析，研究了雞喙力學(xué)行為與羥基磷灰石片形態(tài)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：羥基磷灰石扁平的形狀和平行的排列結(jié)構(gòu)對雞喙的斷裂韌性具有非常顯著的增強(qiáng)效果。

關(guān)鍵詞：雞喙；層狀微結(jié)構(gòu)；羥基磷灰石片；拔出力

中圖分類號：R318.08

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2017）10016604

1 引言

哺乳動物的骨、昆蟲殼以及軟體動物的甲等自然生物材料都具有極好的機(jī)械和物理性質(zhì)以及良好的生物修復(fù)能力。自然生物材料與成分或者結(jié)構(gòu)類似的仿制復(fù)合材料相比在特定功能和性能方便存在諸多優(yōu)勢[1]，原因在于天然的生物材料在億萬年的物競天擇中已經(jīng)被自然界在分子、納米和微米的各個尺度上進(jìn)行了優(yōu)化，形成了人們?nèi)缃裼^察到的在形狀、尺度及分布等各個方面得到極大優(yōu)化的微觀納米結(jié)構(gòu)[2]，對自然生物材料的功能及力學(xué)行為與材料微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的深入研究，對于高性能仿生復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義[3]。

喙作為禽類獲取食物和自衛(wèi)的主要工具，它具有高強(qiáng)韌等優(yōu)越的力學(xué)性能。雞更是家禽的重要一員，材料易獲取，這里通過對雞喙的微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析來進(jìn)行此類材料的探索。骨鹽、有機(jī)物質(zhì)以及少量水分為雞喙的主要組成物質(zhì) [4]。骨鹽在雞喙中主要以羥基磷灰石晶體的形式存在，主要成分為磷酸鈣和碳酸鈣，除此之外還有少量的無定形磷酸鈣混合物。羥基磷灰石晶體分子式為Ca10（PO4）3（OH）2，雞喙中的羥基磷灰石長度隨年齡增長發(fā)生擴(kuò)展 [5，6]。雞喙具有高強(qiáng)度和高剛度的特點主要是由于骨鹽的大量存在[5]。雞喙中的有機(jī)物質(zhì)包含各種膠原蛋白、氨基多糖和糖蛋白物質(zhì)，其中膠原蛋白為主要組成部分[5]。骨膠原主要為I型膠原，它在成分和分子結(jié)構(gòu)方面與皮膚、肌腱等組織中存在的膠原類似[5， 7]。骨膠原的存在及其與骨鹽交叉結(jié)合的方式是雞喙具有高斷裂韌性的重要原因。在本研究中利用掃描電鏡對雞喙微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的觀察，結(jié)果顯示它是由羥基磷灰石在骨膠原蛋白的粘合下形成的天然層狀生物復(fù)合材料。根據(jù)觀察到的雞喙內(nèi)部存在的羥基磷灰石片的微觀結(jié)構(gòu)特征，通過對建立的微觀結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行力學(xué)行為分析，考察與雞喙斷裂韌性密切相關(guān)的、具有平行微結(jié)構(gòu)分布及圓而薄的形狀的羥基磷灰石片的最大拔出力。結(jié)果表明雞喙羥基磷灰石片圓而薄的形狀以及平行排列方式使雞喙在外載荷作用下產(chǎn)生斷裂時具有更大的拔出力，這使雞喙具有了較高的斷裂韌性和強(qiáng)度。

2 試驗材料和方法

不同種類雞的喙在微觀結(jié)構(gòu)上具有一定的差異，并且與雞喙的骨齡也有一些聯(lián)系[8，9]。在此研究中采用的是成年雞的喙（圖1a），所以本研究所觀察到的微觀結(jié)構(gòu)并不是對于所有的雞喙都具有代表性。通過以下步驟制備雞喙的掃描電鏡試樣：①將從市場購買的雞喙表皮進(jìn)行清理，用酒精清理表面并在DZF-6000真空干燥箱中進(jìn)行干燥。②在橫向和縱向分別取不同的，大小約為5 mm的式樣。將試樣通過導(dǎo)電膠固定在標(biāo)準(zhǔn)樣品臺上。③用KYKY-203離子濺射儀以每10 s噴一次，共計4次的方式噴涂一層金鈀圖層。④利用TESCANVEGA Ⅱ LUM型掃描電鏡，在20～1100倍放大倍數(shù)內(nèi)對試樣進(jìn)行觀察。

3 觀察結(jié)果及討論

從圖2可見雞喙的微觀結(jié)構(gòu)是由一種羥基磷灰石和膠原蛋白組成的，其中羥基磷灰石呈平行于雞喙表面的形態(tài)層狀排列，少量的有機(jī)物質(zhì)膠原蛋白在層間起粘合作用。進(jìn)一步放大并觀察羥基磷灰石側(cè)向結(jié)構(gòu)，羥基磷灰石片為纖薄的圓形片，厚度大約只有幾十納米，而其橫向尺寸則較大（圖3）。通過對試樣切面的方向和照片進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，這些圓而薄的羥基磷灰石片與其所在層為垂直關(guān)系，并按照平行的方式排列。這種排列方式下，雞喙最大主應(yīng)力方向與羥基磷灰石片的直徑方向一致，羥基磷灰石片能夠更好的發(fā)揮承載作用。

4 基于羥基磷灰石片建立的圓片模型拔出力分析

復(fù)合材料的斷裂韌性會隨增強(qiáng)相的拔出能的增加而增加。試驗仿照電鏡拍攝的羥基磷灰石層的堆疊方式建立模型，然后對模型進(jìn)行力學(xué)理論分析來研究雞喙中羥基磷灰石片圓而薄的層狀結(jié)構(gòu)的最大拔出力。首先對羥基磷灰石層中的單片羥基磷灰石片拔出模型進(jìn)行觀察與分析（圖4）。假設(shè)在一排羥基磷灰石片中將其中一片進(jìn)行拔出，將雞喙圓形的羥基磷灰石片簡化為圓形。設(shè)此圓形羥基磷灰石片的直徑為d，并且整個圓片全部埋入（即拔出長度也為d）。當(dāng)此羥基磷灰石片在外力作用下進(jìn)行進(jìn)行拔出時，在縱向和橫向深度分別為x和y的位置存在一個長寬分別為 dx，dy的羥基磷灰石片微段。羥基磷灰石片表面的剪切應(yīng)力與x、y相關(guān)，并在此表達(dá)為，此微段的拔出力可表示為：

式（7）表示羥基磷灰石的最大拔出能與羥基磷灰石層數(shù)、羥基磷灰石片直徑d以及總層的寬度呈正相關(guān)，與羥基磷灰石厚度呈負(fù)相關(guān)。由式（7）可以做出如圖6、7所示的相關(guān)關(guān)系。圓片擁有更大的直徑和更小的厚度是增加拔出能的有效方式，這與觀察到的雞喙微觀結(jié)構(gòu)非常一致。

以上結(jié)果表明羥基磷灰石片直徑越大、厚度越小、最大拔出能越大，結(jié)構(gòu)也具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。但是觀察到的事實是雞喙中羥基磷灰石片的直徑并不是太大（僅僅具有較大的直徑/厚度）。這是因為羥基磷灰石片的直徑具有一個臨界長度，依據(jù)復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)性能中的理論[10]進(jìn)行以下驗證。

根據(jù)所示模型進(jìn)行分析，對圖8中纖維微元體應(yīng)力平衡方程可列為：

圓柱短纖維的拔出存在式（13）中的關(guān)系的話，將先前研究的雞喙圓片模型和其進(jìn)行對應(yīng)。圓片直徑d對應(yīng)，原片厚度h對應(yīng)。不難得出前面的圓片拔出模型中的小于等于某個定值。這與先前得到的羥基磷灰石片直徑越大、厚度越小拔出能越大的結(jié)論相沖突。結(jié)論應(yīng)該更改為在一定的范圍內(nèi)，羥基磷灰石片隨直徑增大大、厚度減小拔出能增加。這與觀察到的羥基磷灰石片為納米級的圓形薄片現(xiàn)象相符合。

5 結(jié)論

（1） 掃描電鏡觀察結(jié)果顯示雞喙的細(xì)觀結(jié)構(gòu)為一種主要由羥基磷灰石和膠原蛋白組成的天然生物復(fù)合材料，其增強(qiáng)相羥基磷灰石具有層狀結(jié)構(gòu)并且與表面平行。

（2） 羥基磷灰石層中包含許多更小的羥基磷灰石片，羥基磷灰石片外形為極為扁平的圓片，其厚度僅為納米尺度。

（3） 對雞喙羥基磷灰石平行微結(jié)構(gòu)的模型分析和實驗表明雞喙羥基磷灰石片平行排列方式和扁平的形狀增加了羥基磷灰石片間的最大拔出能，進(jìn)而提高了雞喙的斷裂韌性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Katti D R， Katti K S， Sopp J M， et al. 3D finite element modeling of mechanical response in nacre-based hybrid nanocomposites[J]. Computational & Theoretical Polymer Science， 2001， 11（5）：397～404.

[2]Sarikaya M， Gunnison K E， Yasrebi M， et al. Mechanical Property-Microstructural Relationships in Abalone Shell[J]. Mrs Online Proceeding Library， 1989（13）：174.