论文题目: 哺乳动物角蛋白材料力学及摩擦学行为研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 农业机械化工程
作者: 郭颖杰
导师: 佟金
关键词: 哺乳动物,角蛋白材料,生物摩擦学,光谱分析,横断面形态,力学性能,摩擦,磨损
文献来源: 吉林大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文在国家杰出青年科学基金项目(50025516)、国家自然科学基金(50275037)和高等学校博士学科点专项科研基金(20020183029)资助下,面向仿生材料和仿生摩擦学应用,对牛蹄、牛角、羊蹄和猪蹄四种哺乳动物角蛋白材料的结构、力学性能和摩擦学性能进行了系统的研究。分析了牛蹄、牛角、羊蹄和猪蹄四种角蛋白材料的微量元素含量。探索了四种材料的红外光谱和拉曼光谱,确定其二级结构间的共性与差异。用偏光显微镜分析四种角蛋白材料横断面形态,主要探讨蹄壁细管形状和尺寸沿厚度方向的变化以及在蹄角样品间的差异。对牛蹄、牛角和羊蹄三种角蛋白材料的拉伸力学性能进行了研究,探讨了试验条件因素(应变率)和材料因素(水分、取样位置、摩擦滑动方向等)对材料弹性模量、极限强度和破坏应变的影响。依据拉伸断口的扫描电镜照片分析角蛋白材料的断裂机理。系统考察了四种角蛋白材料沿厚度方向不同位置的纳米力学特性和显微硬度差异,以及水分、摩擦滑动方向等因素对试验结果的影响。探索了角蛋白材料的干滑动摩擦磨损性能,研究了试验条件和材料因素(水分、取样位置、方向等)对其摩擦磨损性能的影响。运用微观分析技术和接触力学理论揭示了角蛋白材料的摩擦磨损机理。并用生物角质(种子表皮)作对比分析,探讨动物角质与植物角质摩擦特性的共性与差异。上述研究工作及其所取得的研究成果,对于仿生复合材料研制具有重要意义,对于生物摩擦学乃至仿生摩擦学研究是一项有意义的探索。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 论文选题的意义
1.2 几种天然生物材料的结构特性及相应的仿生研究
1.2.1 贝壳珍珠层
1.2.2 骨
1.2.3 木材
1.2.4 竹子
1.3 角蛋白材料结构及力学特性的研究现状
1.3.1 蹄角角蛋白材料
1.3.2 羽毛角蛋白
1.3.3 毛发角蛋白
1.3.4 壳甲类角蛋白
1.3.5 爪子角蛋白
1.3.6 角蛋白材料结构分析方法
1.4 本论文主要研究工作
第二章 角蛋白材料物理化学特性
2.1 角蛋白材料的红外光谱分析
2.1.1 红外光谱法的分析原理
2.1.2 仪器设备及实验方法
2.1.3 结果与分析
2.2 角蛋白材料的拉曼光谱分析
2.2.1 拉曼光谱的分析原理
2.2.2 拉曼光谱与红外光谱的比较
2.2.3 实验设备及测试条件
2.2.4 结果与分析
2.3 角蛋白材料的X-射线衍射分析
2.3.1 X-射线衍射分析原理
2.3.2 实验设备及测试条件
2.3.3 结果与分析
2.4 角蛋白材料的元素分析
2.4.1 牛蹄样品的扫描电镜能谱分析
2.4.2 蹄角样品的无机元素分析
2.5 小结
第三章 角蛋白材料的断面形态分析
3.1 实验设备与样品制备
3.2 牛蹄横截面的形态分析
3.3 马蹄横截面的形态分析
3.4 羊蹄横截面的形态分析
3.5 猪蹄横截面的形态分析
3.6 牛角横截面的形态分析
3.7 驴蹄横截面的形态分析
3.8 小结
第四章 角蛋白材料的拉伸力学特性
4.1 试验部分
4.1.1 试验设备
4.1.2 试验材料及样品制备
4.1.3 试验方法
4.2 蹄角角蛋白样品的应力-应变曲线分析
4.2.1 蹄角角蛋白样品的应力-应变曲线
4.2.2 角蛋白材料应力-应变行为的机理分析
4.3 角蛋白材料拉伸应力-应变曲线的数学描述
4.3.1 几种材料拉伸应力-应变曲线的数学模型
4.3.2 角蛋白材料拉伸应力-应变行为的数学描述
4.4 蹄角角蛋白材料力学行为的应变率依赖性
4.4.1 材料的粘弹性理论
4.4.2 角蛋白材料力学行为的应变率依赖性
4.5 试验因素对力学特性值的影响
4.5.1 水分对角蛋白材料拉伸力学特性的影响
4.5.2 三种角蛋白材料拉伸力学性能的对比分析
4.5.3 取样位置对力学特性的影响
4.5.4 取样方向对力学特性值的影响
4.6 角蛋白材料力学性能的正交试验
4.6.1 试验因素对角蛋白材料弹性模量的影响
4.6.2 试验因素对角蛋白材料极限强度的影响
4.6.3 试验因素对角蛋白材料破坏应变的影响
4.7 角蛋白材料泊松比的测定
4.7.1 材料泊松比的常规测量方法
4.7.2 试验方法
4.7.3 试验结果
4.8 角蛋白材料断裂机理分析
4.8.1 角蛋白材料的微观结构
4.8.2 角蛋白材料拉伸断口的扫描电镜分析
4.9 小结
第五章 角蛋白材料微-纳米力学特性分析
5.1 材料纳米力学及显微硬度测量原理
5.1.1 维氏显微硬度测量原理
5.1.2 纳米硬度计测量原理
5.2 试验设备和方法
5.2.1 试验设备
5.2.2 样品准备
5.2.3 试验方案
5.2.4 数据处理
5.3 试验结果
5.4 结果分析
5.4.1 保压时间和加、卸载速率对弹性模量和纳米硬度值的影响
5.4.2 法向载荷对弹性模量和纳米硬度值的影响
5.4.3 样品含水量对弹性模量和硬度值的影响
5.4.4 加载方向对弹性模量和硬度值的影响
5.4.5 不同位置材料的弹性模量和硬度值
5.4.6 蹄角种类对弹性模量和硬度值的影响
5.5 讨论
5.5.1 水分状态对样品弹性模量和硬度的影响
5.5.2 沿蹄壁生长方向蹄壁力学特性的变化
5.5.3 力学上的各向异性
5.5.4 沿蹄壁厚度方向力学特性的变化
5.6 小结
第六章 角蛋白材料及种子表皮角质的干滑动摩擦学行为
6.1 试验设备及测试方法
6.1.1 试验设备
6.1.2 试验材料及样品制备
6.1.3 试验方案及方法
6.2 牛蹄样品摩擦系数曲线分析
6.3 试验因素对角蛋白材料及种子表皮角质摩擦系数的影响
6.3.1 载荷对稳定状态摩擦系数的影响
6.3.2 载荷对稳定状态摩擦系数标准偏差的影响
6.3.3 载荷对初始摩擦系数的影响
6.3.4 滑动速度对稳态摩擦系数的影响
6.3.5 速度对稳态摩擦系数标准偏差的影响
6.4 材料因素对角蛋白材料及种子表皮角质摩擦系数的影响
6.4.1 水分状态对角蛋白材料及种子表皮角质摩擦系数的影响
6.4.2 取样位置对摩擦系数的影响
6.4.3 取样方向对摩擦系数的影响
6.5 四种角蛋白材料摩擦系数曲线的对比分析
6.6 角蛋白材料的摩擦机理分析
6.6.1 常见的几种摩擦理论
6.6.2 角蛋白材料滑动摩擦模型及机理分析
6.7 小结
第七章 角蛋白材料的干滑动磨损行为及机理分析
7.1 角蛋白材料磨损量的测量方法
7.1.1 块状试样磨损量的测量
7.1.2 磨损表面形貌的观察
7.2 试验因素对角蛋白材料磨损量的影响
7.2.1 法向载荷对牛蹄材料磨损的影响
7.2.2 滑动速度对牛蹄材料磨损的影响
7.2.3 磨损的时间历程
7.3 材料因素对磨损的影响
7.3.1 角蛋白材料水分状态对磨损的影响
7.3.2 取样位置和摩擦滑动方向对磨损量的影响
7.4 四种角蛋白材料磨损的对比分析
7.5 角蛋白材料滑动磨损行为的统计分析
7.6 角蛋白材料干滑动磨损机理分析
7.7 小结
第八章 结论与展望
8.1 结论
8.2 展望
参考文献
作者在攻读博士学位期间发表的论文及参与的主要科研项目
致谢
摘要
ABSTRACT
发布时间: 2006-01-17
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