螯微结构及静力学性能的仿生学研究

论文摘要

本文研究了龙虾和螃蟹螯的微观结构及静力学性能。X射线衍射分析表明其无机相主要是碳酸钙。差示扫描量热法分析表明共发生水分蒸发和蛋白质分解、甲壳质分解和无机相碳酸钙分解3个物态变化,反映了生物材料的热特性。扫描电镜分析发现螯表面有凹坑、凸包和刚毛,呈生物非光滑表面;螯外骨骼具有分层结构,螺旋夹板层由壳质-蛋白纤维绕着表皮法向旋转180o叠积而成,外表皮层比内表皮层更致密;对外骨骼进行脱蛋白质和脱钙处理,发现其钙盐分布和多孔结构;能谱（EDS）分析表明外表皮层钙元素含量高于内表皮层。这种疏密多孔的结构和碳酸钙的梯度分布影响着螯的力学性能。对生物材料螯进行力学性能测试,螯表皮法向硬度靠近螯尖端处偏大。淡水龙虾螯平均硬度最小（5.28±0.02GPa）,淡水螃蟹螯平均硬度是8.18±0.06GPa,澳龙和珍宝蟹硬度平均值分别是10.48±0.06GPa和12.29±0.44 GPa;螯断面内外表皮层的硬度和弹性模量具有较大的梯度,淡水螃蟹螯内外表皮层硬度平均值分别是0.55±0.22GPa和0.97±0.08GPa,弹性模量平均值分别是16.28±4.37GPa和26.60±2.90GPa,揭示了生物材料螯的各向异性。对淡水龙虾和螃蟹螯在不同状态（干燥、温度处理）下的硬度和弹性模量测试,揭示了水分和温度对力学性能的影响。新鲜试样的拉伸断裂强度和应变明显高于干的试样。根据研究结果,提出了纤维加强复合材料仿生模型,运用有限元分析其力学特性,在无加强纤维、平行排列加强纤维和螺旋加强纤维三个模型中,螺旋加强纤维复合材料模型具有较好的抗压、抗扭特性;不同排列角度的螺旋纤维加强模型中纤维排列角度为30o的具有较好的抗压、抗扭特性;同时分析了基体和纤维对加强纤维复合材料模型力学特性的影响,该研究为轻质复合材料结构的设计提供仿生学基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 生物材料及其仿生学的研究
• 1.2.1 天然生物材料的特点、内容和研究
• 1.2.2 材料仿生学的概念及研究内容
• 1.2.3 复合材料仿生学研究现状
• 1.3 机械仿生学的概念、内容和发展
• 1.4 研究对象及研究方案的确立
• 1.4.1 研究对象的选择
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第二章 材料与试验方法
• 2.1 论文中所用物种的介绍
• 2.2 试验方法及试样制备
• 2.2.1 X 射线衍射分析
• 2.2.2 差示扫描量热法（DSC）和能谱分析仪（EDS）
• 2.2.3 螯生物材料密度的测量
• 2.2.4 扫描电镜样本的制备
• 2.2.5 螯力学性能测试
• 2.2.5.1 微硬度和弹性模量测试
• 2.2.5.2 拉伸应力应变试验
• 2.2.6 UMT-2 型摩擦磨损试验
• 2.3 本章小结
• 第三章 龙虾和螃蟹螯微观结构的观测
• 3.1 试验结果
• 3.1.1 X 射线衍射分析图谱
• 3.1.2 差示扫描量热法（DSC）
• 3.1.3 龙虾和螃蟹螯表面微观结构
• 3.1.4 龙虾和螃蟹螯断面微观结构及能谱分析（EDS）
• 3.1.5 外骨骼脱蛋白质后的微观结构
• 3.1.6 螯外骨骼脱钙后的微观结构
• 3.2 讨论
• 3.3 本章小结
• 第四章 龙虾和螃蟹螯材料力学性能研究
• 4.1 试验数据处理
• 4.2 龙虾和螃蟹螯微硬度和弹性模量测试
• 4.2.1 新鲜龙虾和螃蟹螯力学性能测试
• 4.2.2 水分对生物材料螯力学性能的影响
• 4.2.3 温度对生物材料螯力学性能的影响
• 4.2.4 螯断面内外表皮层硬度和弹性模量测试
• 4.3 龙虾和螃蟹螯拉伸性能测试
• 4.4 龙虾和螃蟹螯表面摩擦性能测试
• 4.5 讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 仿生复合材料模型的提出及力学性能的有限元分析
• 5.1 仿生复合材料模型的提出
• 5.2 纤维增强模型有限元分析
• 5.2.1 有限元分析软件介绍（FEA）
• 5.2.2 纤维螺旋角度对模型力学性能的影响
• 5.2.3 无纤维及纤维排列方式不同模型的力学性能对比
• 5.2.4 基体对复合材料模型力学性能的影响
• 5.2.5 加强纤维对复合材料模型力学性能的影响
• 5.3 讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 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