CN112747978A - 一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法 - Google Patents

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洪浩源
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Abstract

本发明提供一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法。包括将贝壳的内部和表面清洗干净，待自然风干；对所取力学性能试样位置进行定位，使用记号笔将其轮廓从贝壳内部标出，使用三坐标测量确定其试样中心位置信息；使用水切割机，使高压水流垂直于所标记的试样轮廓将力学性能试样切出；将样品放入与样品等大的小型模具中进行打磨处理，直到所需厚度后抛光并用超声清洗贝壳表面残余杂质，得到用于贝壳力学性能实验的待测样品。本发明方法可以快速、精准的制备出贝壳力学性能实验试样，保证了试样的侧面垂直度与表面平整度，可以准确有效的获取双壳纲贝壳的力学性能数据。

Description

一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法
技术领域
本发明涉及生物学与材料学领域，具体为一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法。
背景技术
生物经过亿万年不断的进化、突变和选择，其材料与结构也已经变的多种多样。天然生物材料通常利用有限的组分构造复杂的多级结构，并利用这种多级结构实现多功能性，达到人工合成材料不可比拟的优越性能。双壳纲贝壳是一种典型的天然生物材料，具有“砖—泥”结构这种多级结构，其具有强度高、韧性好、抗冲击性能好等优异的力学性能。
为了适应现代战争的需求，轻量化、机动化越来越成为坦克装甲车所需要的性能。而天然生物结构例如贝壳具有这么优异的力学性能，所以仿生结构越来越成为科学家们研究的热点问题。同时对贝壳的力学性能测试问题也越来越受到关注。
但是对于研究贝壳力学性能的专家学者，在取样上，采用切割机切割贝壳试样，由于贝壳本身在不同方向拥有不同的曲率，这样就造成了在切割试样后，贝壳侧面的垂直度无法保证，其且切取的试样侧面可能歪斜，并且由于手工使用切割机切取贝壳其位置精度也无法完全保证，对于拉伸试样这样不规则试样的取样使用切割机切割则更加难以保证精度，难以切取；在制样上，现有使用的方法为机械打磨，但对于机械打磨无法保证贝壳试样表面的平整度，打磨后试样表面虽然平整仍可能具有斜度。机械打磨时为了追求上下表面的平行需要不断反复，影响效率。
发明内容
本发明的目的主要是针对目前双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备问题，提出了一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，包括以下步骤：
1)将活体贝壳宰杀后，去除贝壳内的软体组织，清理贝壳表面的附着物，用清水冲洗干净，自然风干，得到待取样的两瓣贝壳；
2)将贝壳平放在桌面上，将贝壳表面生长线纹路均分为三份，靠近生长起始点位置的为前部，靠近边缘位置的为后部，中间部分为中部。沿贝壳的生长起始点到距贝壳生长起始点最远点的贝壳边缘位置的连线定义为贝壳的0生长线，沿0生长线向0生长线分割后大半贝壳方向旋转α°则称为α生长线，沿0生长线向0生长线分割后小半贝壳方向旋转α°则称为－α生长线。
3)选择所要取样的区域，所取得的力学试样区域定义为某部分贝壳(前部、中部或后部)的某生长线到某生长线这一区域。用记号笔在贝壳内部区域进行试样轮廓位置的标定，使用三坐标测量确定所要取得试样中心点的位置信息；
4)将贝壳固定在夹具上，水刀沿着所定位好位置的贝壳轮廓进行切割，得到贝壳试样；
5)切割下来的试样通过用试样同等大小的小型模具对试样进行打磨处理，模具从底端开始向上标有刻度，刻度精度为0.2mm。将切割下来的试样放进模具中，依据对贝壳力学性能试样的尺度要求进行打磨，通过观察刻度，直到打磨到所要的厚度，用清水冲洗干净后，使用W5的研磨膏进行表面抛光处理。将抛光后的试样用清水冲洗干净，然后通过蒸馏水超声波清洗贝壳表面，去除表面的颗粒杂质，自然风干后得到贝壳的力学性能试样。
进一步地，步骤1)所述活体贝壳为三角帆蚌、文蛤、贻贝等双壳纲贝壳。
进一步地，步骤1)，使用刀具将贝壳软体组织及瑶柱去除，使用牙刷清洗贝壳表面附着物。
进一步地，步骤3)所述用记号笔将所取试样轮廓标出来并用三坐标测量是在贝壳内表面标出。
进一步地，步骤4)中，使用水切割机切割试样，高压水流要从贝壳内部沿着轮廓进行切割，高压水流切割贝壳试样轮廓边缘时贝壳夹具随之转动使高压水流一直与贝壳内部试样轮廓垂直，保证切割下来的试样侧面的垂直度。
进一步地，步骤5)中，小型模具中的试样尺寸与所要取的试样尺寸一致，试样放入小型模具中，上方通过手指用力按住压杆使试样在砂纸上打磨，小型模具可以更换为不同形状与大小的内腔。
进一步地，步骤5)中，若试样较厚，而所要的试样较薄，则选择较粗的砂纸最后逐渐变细。
进一步地，步骤5)中，所取的力学性能实验包括拉伸试验试样、压缩实验试样、三点弯曲实验试样、纳米压痕实验试样等。
进一步地，步骤5)中，所取力学性能实验试样大小为拉伸试样长度为20mm，宽度为10mm，厚度为2.5mm；压缩试样与纳米压痕试样直径为8mm，厚度为3mm；三点弯曲试样的长度为30mm，宽度为6mm，厚度为2.5mm。
本发明与现有技术对比，其显著优点在于：
(1)本发明提供的方法能快速、准确的对双壳纲贝壳进行定位、制样并进行相关力学性能实验。
(2)本发明提供的方法操作方便简单，易于上手。
(3)本发明提供的方法可以有效的减小贝壳制样大小的误差，进而减小其对实验结果产生的影响。
(4)本发明提供的方法对有效的保证贝壳侧面垂直度与表面的平整度，使得实验数据更加准确。
附图说明
图1为本发明提供的方法中定义贝壳前中后部与生长线示意图。
图2为本发明提供的方法中贝壳中部0与30生长线的贝壳中部区域使用水切割切取贝壳力学性能试样示意图。
图3为本发明提供的方法中水切割时高压水流垂直于贝壳内部轮廓切取示意图。
图4为本发明提供的方法中水切割试样进行打磨的小型模具示意图。
图5为本发明实施例1提供的三角帆蚌样品中沿0生长线与30生长线中部珍珠层拉伸试样的两组拉伸力学性能曲线图；
图6为本发明实施例1提供的三角帆蚌样品中沿0生长线与30生长线中部棱柱层加珍珠层压缩试样的两组压缩力学性能曲线图；
图7为本发明实施例1提供的三角帆蚌样品中沿0生长线与30生长线中部珍珠层三点弯曲试样的两组弯曲力学性能曲线图；
图8为本发明实施例1提供的三角帆蚌样品中沿0生长线与30生长线中部珍珠层纳米压痕试样随压入深度变化，硬度和弹性模量变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
下面实施例中都是以由浙江诸暨购买的新鲜的活体3～4贝龄的三角帆蚌为实验材料，需要制备三角帆蚌珍珠层的拉伸试样、压缩试样、三点弯曲试样、纳米压痕式样。拉伸试样长度为20mm，宽度为10mm，厚度为2.5mm；压缩试样与纳米压痕试样直径为8mm，厚度为3mm；三点弯曲试样的长度为30mm，宽度为6mm，厚度为2.5mm。取样位置为0生长线与30生长线的中部位置，最后将制得的三角帆蚌力学性能试样进行力学性能实验。
将活体三角帆蚌使用钢刀进行宰杀，使用小刀具将贝壳软体组织及瑶柱清理干净，使用牙刷轻刷贝壳的外表面清除其表面的泥沙附着物，自然风干后，得到待取样的两瓣贝壳试样；
将贝壳表面进行区域的划分，将贝壳壳顶朝上平放到桌面上，将表面生长线纹路均分为三等分划分为前部、中部、后部三个区域，再在贝壳生长起始点到距贝壳生长起始点最远点的贝壳边缘位置点连线标定为其0生长线，以生长起始点为极点将贝壳边缘点沿0生长线分割大半贝壳方向旋转30°得到的连线为30生长线。分别在贝壳内表面0生长线与30生长线的中部标定取点位置(图2)，使用记号笔画出所做试样大小的轮廓，使用三坐标测量测得试样中心位置的坐标，确定该试样的位置信息。
将贝壳内部区域朝上固定在水切割设备的夹具上，采用OMAX 5555数控水切割机床对标记试样轮廓进行水切割。在切割过程中，通过固定贝壳夹具的转动，使高压水流与贝壳试样的轮廓边缘一直保持垂直状态(图3)，得到长度为20mm，宽度为10mm拉伸试样；直径为8mm压缩试样与纳米压痕试样；长度为30mm，宽度为6mm的三点弯曲试样。
将水切割下来的试样使用内腔与其试样大小一致的小型模具进行打磨，将试样放入模具空腔里，将一个与空腔一样大的表面平整的手压杆从空腔上部插入进空腔，用手按压手压杆在砂纸上进行打磨(图4)，将三角帆蚌贝壳的外表面的角质层与棱柱层磨掉，先使用240目砂纸进行粗磨，通过观察模具上标有的刻度，磨到接近所需要的厚度大小后，使用400目，600目，800目的砂纸依次进行精磨，使其上下表面保证平整，最终使用W5的研磨膏对其上下表面进行抛光处理。由酒精清洗后，将抛光后的贝壳试样通过KQ-500DE型数控超声波清洗器进行超声清洗20min，去除残余表面的研磨颗粒等杂质。得到用于三角帆蚌力学性能实验的待测样品。
使用万能试验机对制得的拉伸、压缩与三点弯曲试样进行力学性能实验，得到该试样的拉伸强度、压缩强度与弯曲强度(图5-7)，使用纳米压痕仪对所制得三角帆蚌试样进行纳米压痕实验，得到该试样的硬度与弹性模量等力学性能(图8)。

Claims (9)

1.一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将活体贝壳宰杀后，去除贝壳内部的软体组织，清理贝壳表面的附着物，用清水冲洗干净，自然风干，得到待取样的两瓣贝壳；
2)将贝壳平放在桌面上，将贝壳表面生长线纹路均分为三份，靠近生长起始点位置的为前部，靠近边缘位置的为后部，中间部分为中部。沿贝壳的生长起始点到距贝壳边缘生长起始点最远点的位置定义为贝壳的0生长线，沿0生长线向0生长线分割后大半贝壳方向旋转α°则称为α生长线，沿0生长线向0生长线分割后小半贝壳方向旋转α°则称为－α生长线；
3)选择所要取样的区域，所取得的力学试样区域定义为某部分贝壳(前部、中部或后部)的某生长线到某生长线这一区域；用记号笔在贝壳内部区域进行试样轮廓位置的标定，使用三坐标测量确定所要取得试样中心点的位置信息；
4)将贝壳固定在夹具上，水刀沿着所定位好位置的贝壳轮廓进行切割，得到贝壳试样；
5)切割下来的试样通过用试样同等大小的小型模具对试样进行打磨处理，模具从底端开始向上标有刻度，刻度精度为0.2mm；将切割下来的试样放进模具中，依据对贝壳力学性能试样的尺度要求进行打磨，通过观察刻度，直到打磨到所要的厚度，用清水冲洗干净后，使用W5的研磨膏进行表面抛光处理。将抛光后的试样用清水冲洗干净，然后通过蒸馏水超声波清洗贝壳表面，去除表面的颗粒杂质，自然风干后得到贝壳的力学性能试样。
2.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤1)所述活体贝壳为三角帆蚌、文蛤、贻贝的双壳纲贝壳。
3.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤1)，使用刀具将贝壳软体组织及瑶柱去除，使用牙刷清洗贝壳表面附着物。
4.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤3)中，用记号笔将所取试样轮廓标出来并用三坐标测量是在贝壳内表面标出。
5.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤4)中，使用水切割机切割试样，高压水流要从贝壳内部沿着轮廓进行切割，高压水流切割贝壳试样轮廓边缘时贝壳夹具随之转动使高压水流一直与贝壳内部试样轮廓垂直，保证切割下来的试样侧面的垂直度。
6.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤5)中，小型模具中的试样尺寸与所要取的试样尺寸一致，试样放入小型模具中，上方通过手指用力按住压杆使试样在砂纸上打磨，小型模具可以更换为不同形状与大小的内腔。
7.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤5)中，若试样较厚，而所要的试样较薄，则选择较粗的砂纸逐渐变细进行打磨得到所需要的厚度。
8.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所取的力学性能实验包括拉伸试验试样、压缩实验试样、三点弯曲实验试样或纳米压痕实验试样。
9.根据权利要求1所述的一种双壳纲贝壳力学性能实验试样的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所取力学性能实验试样大小为拉伸试样长度为20mm，宽度为10mm，厚度为2.5mm；压缩试样与纳米压痕试样直径为8mm，厚度为3mm；三点弯曲试样的长度为30mm，宽度为6mm，厚度为2.5mm。
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