天然生物材料,尤其是生物矿化材料,如骨骼、贝壳和牙齿等,在历经了随生物体长期的进化后,其材料微结构和与之相对应的宏观性能基本上趋于最优化。尽管生物矿化材料的基本组成单元很平常,如碳酸钙或磷酸钙等最常见的材料,但往往具有适应其环境及功能需要的复杂组装结构,所表现出的杰出的材料性能,是传统人工合成材料无法比拟的。贝壳作为天然生物材料的一种,由于其独特的结构,优异的力学性能而受到材料设计和研究者的关注。本文以天然生物材料红皱岩螺贝壳为研究对象,利用各种分析、测试技术对红皱岩螺贝壳的微观组织结构、晶体成份、维氏显微硬度、压缩力学行为进行了分析探讨,为人们研究这种天然生物材料的结构及力学行为提供了可供参考的基础数据。通过对红皱岩螺贝壳不同层平面和不同取向横截面的微观组织观察发现,红皱岩螺贝壳是一种具有层级结构材料,层级结构分布于整个贝壳。红皱岩螺贝壳的内层和中层是一种片状珍珠质的交错结构,外层是一种棱柱状结构,在外层与中层之间可以观察到一个非常明显的界面。红皱岩螺贝壳在沿着不同取向的横截面(垂直取向的横截面和平行取向横截面)所观察到的微观组织也有差异,表现出各向异性特征。通过对红皱岩螺贝壳各层的XRD数据分析可知,红皱岩螺贝壳各层的成份及含量都存在差异。红皱岩螺贝壳内层和中层的主要成份是球文石型碳酸钙晶体和可能由于球文石相转变或分解而产生的多种物质,且在内层和中层中成份种类及含量都不同。外层中含有一种与中层所探测到的方解石碳酸钙晶体结构不同的方解石碳酸钙晶体。这种方解石碳酸钙晶体在外层中含量高,是红皱岩螺贝壳外层的主要成份。对红皱岩螺贝壳不同层平面及不同取向横截面进行了显微硬度表征发现,贝壳从内层到外层硬度逐渐降低(以横截面上不同位置在50g载荷下的硬度为参考,贝壳内层到外层的维氏硬度在312Hv-155Hv之间)。通过对显微硬度压痕的观察和测量发现,贝壳不同层的压痕裂纹路径、裂纹扩展距离及压痕产生的破坏区面积都不一样,表现出来的断裂韧性从内层到外层逐渐降低,各层的断裂机制及韧化机制不同。对红皱岩螺贝壳平行层平面上不同取向样品(即加载方向与贝壳螺旋线成不同角度)进行了压缩试验,测量了弹性模量、第一断裂应力、最大断裂应力、断裂功密度等数据。发现不同取向的红皱岩螺贝壳样品在这些测量数据方面均不相同,但每项数据都是0°取向样品平均值最高,60°取向样品平均值最低,说明红皱岩螺贝壳样品的力学性能与其取向有关。这应该是由于不同取向贝壳样品中粗细纹路所处的应力状态不同导致的。通过对红皱岩螺贝壳压缩过程中断裂行为的研究及对其断裂路径和断口形貌的观察发现,红皱岩螺贝壳在压缩试验中所表现出来的断裂行为与一般脆性材料不同,其断裂过程是缓慢进行的,表现为相对高的韧性断裂。