独角仙鞘翅的螺旋缠绕纤维柱及交叉铺层微结构增韧机理

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1、独角仙鞘翅的螺旋缠绕纤维柱及交叉铺层微结构增韧机理摘要：通过扫描电镜实验观察了独角仙鞘翅的内部微结构，发现其主耍由一种几丁质纤维增强角质化蛋白质的复合材料构成的交叉铺层结构和螺旋缠绕纤维柱结构等特殊结构。通过建立平面和三维立体模型重点分析了交叉铺层结构中倾角对纤维脱粘的影响及螺旋缠绕纤维柱结构中螺旋升角对单根纤维脱粘力、纤维柱极限拉力的影响。结果表明：发现的这两种纤维排布结构均能明显增强结构的强度和断裂韧性。关键词：独角仙鞘翅；交叉铺层；螺旋缠绕；脱粘力中图分类号:TB17文献标识码:A文章编号:16749944(2017)120223041引言近年来，具有

2、极强的结构强韧性、功能适用性以及损伤自愈合能力［1〜3］的自然生物材料成为了一个热门的研宄领域。其中，甲虫鞘翅［4,5］就是一种在进化过程中不断演变为高强度与高断裂軔性的自然生物复合材料。陈锦祥等［6］研究了犀金龟和独角仙鞘翅的微结构，发现了可有效地提高层状纤维增强复合材料抗剥离能力。陈斌等［7］对在绿金龟子鞘翅屮发现的双螺旋铺层结构和预成形孔洞结构进行了力学理论分析，并制备出相应结构的仿生复合材料。甲虫鞘翅具有的诸多优良性能与其特殊的微结构息息相关［8］。本文在前人的研究基础上进一步观察独角仙鞘翅内部微结构，理论分析其具备的优异力学性能，为纤维增强复合材料

3、的结构设计提供些许有益参考。2实验部分2.1实脸药品和设备95%酒精、S-3400N扫描电镜、离子减薄仪、DZF-6050型真空干燥箱、光学显微镜等。2.2实验过程实验研究对象为独角仙鞘翅。按下述步骤制备了独角仙鞘翅的扫描电镜试样：①将虫体上的鞘翅剥离，然后沿不同方向和截面切割得到若干尺寸约为3mm的正方形样品；②用95%酒精淸洗试样3次，然后置于滤纸晾干后，在真空干燥箱中干燥24h，后用离子减薄仪在试样表面喷涂上一层约10nm厚的金钯涂层；③将试样置于S-3400N扫描电镜屮，保持电压为15kV，在放大倍数为20〜9000倍范围内对试样进行观察并拍照留存。

4、2.3观察结果从图1中可以看出，独角仙鞘翅是由交叉铺层结构和中间的螺旋缠绕纤维柱构成。交叉铺层结构实际上是一种纤维增强基体的层状复合材料。其用于增强的纤维是几丁质生物材料，基体则由多种角质化的蛋白质组成，两者构成平行于鞘翅表面的各个不同偏转角的纤维交叉铺层结构。中间小柱则由若干纤维螺旋缠绕而成，进一步观察，还可以发现小柱上的纤维一直延伸到交叉铺层结构中，使得交叉铺层结构和中间的螺旋缠绕纤维柱结构连成一个整体，形成芯层结构，不仅能起到减重的作用，还大大加强了鞘翅整体的抗冲击性能。观察图2,可以发现鞘翅中间的分布着许多纤维柱，且纤维柱之间还存在“系带”，把各个小

5、柱连接起来，进一步增强了小柱群的稳定性。图3反映了由若干纤维螺旋缠绕形成的纤维柱微结构。图4中可以清晰地观察到各个呈不同角度交叉堆叠起来的纤维层。图1鞘翅屮的纤维柱和交叉铺层3力学分析复合材料的断裂韧性与增强相的力学特性紧密相关。独角仙鞘翅中的交叉铺层结构和螺旋缠绕纤维柱结构应该有助于提升几丁质纤维在外力作用下发生的脱粘过程的力学性能，进而增强独角仙鞘翅的断裂韧性。纤维脱粘过程分为完全粘结、部分脱粘和完全脱粘，本节重点对按交叉铺层结构和螺旋缠绕纤维柱结构排布的纤维的脱粘过程建立力学模型并分析，以探究这两种排布结构对纤维增軔的机理及效果。纤维的长度一般远大于纤

6、维半径，为了简化分析过程，只考虑圆柱纤维的侧面粘结力，而忽略圆柱纤维底面的粘结力，所以纤维粘结力与在基体屮的纤维长度成正比关系。3.1交叉铺层结构交叉铺层结构最显著的特征是不同层的纤维倾角也不同，所以研宂纤维的倾角对纤维受力状态的影响可以帮助探究交叉铺层结构的增韧机理。假设一根几丁质纤维倾斜地埋设在胶原质基体中（图5），纤维倾角为a,纤维脱粘比为丫，上端面作用拉力Princ?槎杂O募绦?脱粘力Pine,此时纤维恰好可以继续脱粘。在纤维的整个脱粘过程中，最大脱粘力为考虑纤维上端部分（图5中虚线部分）有微小的拉伸变形，且与基体完全脱粘无接触。纤维所受支持力N,静

7、摩擦力为F。若垂直于基体界面(即平行鞘翅轴线)埋设的单根纤维的粘结力为Pver，而纤维的完全脱粘力也等于粘结力，显然斜纤维粘结力为Pver/sina。对斜纤维建立静力平衡方程如下：_(1-y)Pver(sina)-1+F]sina+Ncosa=P丫inc(1)[(1-y)Pver(sina)-1+F]cosa=Nsina(2)摩擦力公式F=uN(3)由式(1)(2)(3)得:Pyinc/Pver=2(1-丫)l~cos2a-psin2ao显然，在纤维的整个脱粘过程中，当脱粘比为零时所需的脱粘力最大。即只耍外力可使纤维初始脱粘，纤维就可以继续脱粘直至被完全拔出

8、。式中应有l-cos2a-Psin2a^0使得分母有