甲虫鞘翅材料微结构、力学性能及联接机制的研究

论文摘要

本文以生活在三种不同生活环境(包括水环境、陆地环境、土壤环境)的9种甲虫为研究对象,从微结构、力学性能、鞘翅联接机制和鞘翅张合几何等方面对甲虫生物材料进行实验和微结构观测,并就实验结果进行对比分析和研究。结构上,鞘翅是非光滑表面,主要存在2种形貌:“犁沟状”条凸形貌和凹坑、凸苞分布形貌,鞘翅断面SEM实验表明鞘翅是一种中空型轻质生物复合材料,由鞘翅背壁层、中空夹芯层和腹壁层构成,而背壁层又是由黑色的致密外表皮层和数层纤维层相互交织后再铺设而成的内表皮层组成,实验得到甲虫鞘翅的比重(单位:kg/m~3)为0.8×10~3～0.9×10~3;东方龙虱前附足吸附脚掌上面布满“鞋形状”微型吸盘,侧缘长有许多微刚毛群,实验得到其最大法向吸附力53.3mN±7.68mN,最大切向吸附力213.5mN±33.53mN,猜测其吸附机制包含微吸盘的真空负压吸附和微刚毛群的Van der Waars力粘附两种。力学性能上,本文对9种甲虫鞘翅进行了纳米压痕实验和拉断实验,纳米压痕实验测定了鞘翅外表皮层的硬度和弹性模量参数值,结果由头部区域至尾部区域呈增大趋势,其力学性能呈现拓扑分布规律,经线性回归得到甲虫鞘翅力学参数值为:硬度0.335GPa±0.130GPa,弹性模量6.920GPa±1.461GPa,而东方龙虱鞘翅硬度为0.475GPa±0.089GPa,弹性模量为8.214 GPa±0.708GPa,分别为甲虫鞘翅平均值的1.41倍和1.19倍,该结果体现东方龙虱鞘翅力学性能较一般甲虫鞘翅优异;拉伸实验表明鞘翅的变形主要以弹性变形为主,鞘翅纵向强度极限要大于横向强度极限,实验得到新鲜鞘翅强度极限值(σb)169.2MPa～194.5MPa,其比强度为0.20～0.22(比强度定义为材料的强度极限σb除以材料的比重ρ),与超轻质镁锂合金相当(0.16～0.21)。联接机制方面,鞘翅采用了“楔形状”榫嵌入式联接机构,头部区域凸出榫片和楔形槽尺寸较小,尾部区域凸出榫片和楔形槽尺寸较大,其几何结构由头部至尾部呈线性增大,在鞘翅的凸出榫片端面均布满朝向一致的微刺突和微凸苞结构,该微结构主要加强鞘翅间的锁合联接,鞘翅的联接机制主要经由两个阶段:一是合翅联接过程,二是锁合联接过程。鞘翅张合机制方面,通过高速摄像机录制的鞘翅张合运动轨迹录像,分析甲虫鞘翅上标记点的三维轨迹来描述甲虫鞘翅的张合运动机制,得到甲虫鞘翅的张合运动机制为:绕经过小盾板位置的单轴的旋转运动;鞘翅仰角在30°～60°之间,甲虫为了最大限度地减少鞘翅在飞行当中的能量消耗而选择了最适应的角度,鞘翅的张合过程易于控制且节能、高效。综合上述,甲虫鞘翅是一种轻质、具高比强度和优异延塑性能的生物复合材料,该研究为航空航天领域对于轻质高强复合材料的设计提供仿生的生物学基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 仿生学概述
• 1.1.1 仿生学的定义及发展
• 1.1.2 仿生学的研究范围及研究方法
• 1.1.3 仿生学的诱人前景
• 1.2 生物材料仿生学
• 1.2.1 生物材料仿生学的提出和发展
• 1.2.2 生物材料仿生学的特点及其主要研究内容
• 1.2.3 甲虫生物材料仿生研究进展
• 1.3 课题的来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题的研究背景及研究意义
• 1.3.2 课题来源
• 1.3.3 论文的主要研究内容
• 第二章 典型甲虫鞘翅微结构及其特性研究
• 2.1 研究对象和研究方法
• 2.1.1 研究对象的确立
• 2.1.2 各种甲虫生活习性介绍
• 2.1.3 甲虫材料的处理和组织切片的制作
• 2.1.4 扫描电镜试样的制备
• 2.1.5 本章实验用到的仪器设备
• 2.2 甲虫鞘翅表面形貌的观测
• 2.2.1 结果分析
• 2.2.2 几种甲虫鞘翅表面粗糙度比较
• 2.2.3 讨论
• 2.3 甲虫鞘翅断面微结构分析
• 2.3.1 东方龙虱鞘翅不同方向的断面微结构
• 2.3.2 其它几类甲虫鞘翅断面结构分析
• 2.3.3 讨论
• 2.4 东方龙虱前附足形态结构及其吸附特性研究
• 2.4.1 研究对象和实验方法
• 2.4.2 实验结果及分析
• 2.4.3 讨论
• 2.4.4 结论
• 2.5 本章小结
• 第三章 鞘翅联接机制及其联接强度研究
• 3.1 引言
• 3.2 研究对象和实验方法
• 3.2.1 研究对象的采集和饲养
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 数据采集与处理方法分析
• 3.4 实验结果及分析
• 3.4.1 鞘翅联接区域断面微结构
• 3.4.2 东方龙虱鞘翅联接内表面微结构分析
• 3.4.3 鞘翅联接区域连续组织切片结构分析
• 3.4.4 鞘翅联接力及其联接强度分析
• 3.5 鞘翅榫嵌入式机构联接运动中的干涉分析
• 3.5.1 干涉分析工具介绍
• 3.5.2 鞘翅联接机构的几何建模
• 3.5.3 鞘翅联接干涉分析结果及讨论
• 3.6 鞘翅联接机制的讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 鞘翅材料力学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 纳米压痕实验及其结果分析
• 4.2.1 纳米压痕仪器介绍
• 4.2.2 试样处理及实验方法
• 4.2.3 实验数据处理方法
• 4.2.4 东方龙虱鞘翅外表皮层不同区域力学性能结果分析
• 4.2.5 其它8 种甲虫鞘翅力学性能结果比较
• 4.2.6 讨论
• 4.3 鞘翅拉伸实验及其强度分析
• 4.3.1 试样的制备和实验方法
• 4.3.2 实验数据的处理
• 4.3.3 实验结果及分析
• 4.3.4 讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 鞘翅张合运动测试与机制的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验对象和实验方法
• 5.2.1 实验对象
• 5.2.2 实验方法和数据处理方法
• 5.3 高速摄像机介绍
• 5.4 实验结果及分析
• 5.5 讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 论文总结、创新点及展望
• 6.1 论文主要工作总结
• 6.2 论文主要创新点
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录