东方龙虱鞘翅微结构及力学性能研究

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1、!第!"卷!第#期!$%%"年#月+’%东方龙虱鞘翅微结构及力学性能研究"虞庆庆""!$"+"""!王卫英!杨志贤!胡孝昀!戴振东南京航空航天大学"7仿生结构与材料防护研究所)$7机电学院)+7材料学院!南京$"##"’摘要!!生物材料优化的几何拓扑和轻质高强的特点对航空航天结构和材料设计具有重要启示7用扫描电子显微镜"原子力显微镜和粗糙度仪观测东方龙虱鞘翅的表面形貌和截面微结构!结果表明其表面非常光滑!F(#7!$%!与磨削加工表面相当’鞘翅上有规律的分布着微米级的凹陷’$-横截面可见交错的空腔和孔道结构!材料绕空腔或孔道成层状分布7用纳米压痕仪

2、测试东方龙虱鞘翅的硬度和弹性模量分别为#7*!+>A.和(7"’>A.!显著高于花金龟"巨锯秋甲"双叉犀金龟的值’鞘翅的机械性能有明显的分布特征!该结果为开展轻质结构的拓扑优化和复合材料设计提供了很好的启示7关键词!!东方龙虱!鞘翅!仿生!表面形貌!力学性能!!天然生物材料经历了+%亿年的进化!形成了适学性能方面还缺乏研究7东方龙虱"LP;*=+):应其环境和功能需要的复杂微结构!其优异的强韧+:*,J?5+(+J=$的鞘翅除了有高强度%质轻等特点外!&"(性%功能适应性和损伤愈合性是工程材料难以具备其表面还能在水中减小阻力!并起保护胸腹软体部的7

3、例如蜘蛛吐出的蛋白质丝的强度是已知强度最高分%防止体内水分蒸发等多种功能7本文研究东方的)由白垩结晶形成的鲍鱼贝壳!其强度是高级陶瓷龙虱鞘翅的表面形貌%材料微结构及其力学性能7&$(的两倍7因此!仿生材料正日益成为材料科学和工程科学中一个重要的研究领域!而其中天然生物材料!!试样及测试设备结构及其性能研究是仿生材料研究的基础7!"!!试样鞘翅目昆虫"L<>)<,+):(?!俗称甲虫$是动物界东方龙虱又名水龟子!我国南方分布较广并终最大的一个目7在长期的进化过程中!发展出与其生栖息于淡水环境!属水生昆虫7成虫体长$%’生存环境相适应的具有特殊构造和功

4、能的器官系+#--!宽"$’"%--!体重#7$%’#7*E!体长圆统!满足空中飞行%地面爬行和地下挖洞等全方位形!有光泽!前胸%背板%鞘翅为漆黑色!腹部黄生存的需求7形成了特有承力部位的优化几何设计褐色7头部略扁!复眼突出!触角丝状!足+对!和材料强度的拓扑分布7成为航空航天领域和深空前足小!后足侧扁!有长毛!能游善飞7实验用东探测方面轻质%可靠%高效%节能%易于控制的空方龙虱采购于广州郊县!对比用的花金龟%巨锯秋间飞行器零部件的几何设计和材料优化良好的仿生甲%双叉犀金龟采自南京郊县7&+(对象7&*(国内外对甲虫脚爪的强度%局部表皮的粘弹!"%

5、!测试设备&%(&’(和蠕变效应%鞘翅与躯干摩擦锁合机制做了很实验所用的纳米压痕仪=O$".39W3?;3B;@好的研究!但对鞘翅",0NB@.$的表面形貌及材料力=O$!VL=!M=O$#位移分辨率#7###$3-!最大!$##%&#!&#!收稿!$##%&"#&"*收修改稿!"国家自然科学基金#"批准号#)#$#%#"*$%,八六三-计划"批准号#$##$OO*$+$+#$及博士点基金"$##*&#$(!#$#$资助项目!""通讯作者!,&-./0#2??./!36..7;?6783!第!"卷!第#期!$%%"年#月+’’压深"%$-!最大加

6、载"#-!载荷分辨率"37$--"图$".$$!用=O$配用的胶固定在试样台上7工作原理如图"7扫描电子显微镜所用的试样!将鞘翅与身体分离后!用!#f酒精$*J脱水!临界点干燥!最后用离子溅射仪喷金7图!!纳米压痕仪(C%工作原理图"’加载线圈!$’电容式位移传感器!+’支撑弹簧!*’加载框!%’压杆!’’试样该设备可直接从载荷&位移曲线中实时获得接触面积!最直接测量的是硬度"U$和弹性模量"C$7其测试原理如下#在加载过程中!试样首先发生弹性变形!随着载荷的增加!试样开始发生塑性变形!加载曲线呈非线性7通过分析加载曲线可以得&!(到材料的硬度

7、和弹性模量7定义硬度U和复合响应模量C为#:GU$!""$"C:$!%8!"$$$(!"图%!龙虱鞘翅表面式中G为在任意压痕深度的实时载荷!"为在G作".$单侧鞘翅)"G$!"8$为局部扫描电子显微镜照片用下接触表面的投影面积!8为弹性接触刚度"?G/?3$!3为下压深度!被测试样的弹性模量可%!结果及讨论以从下式得到%"!!表面形貌""’V$"’V$用肉眼可以看到在鞘翅上沿纵向间隔约"’$--*$&!"+$C:CC*"视对象个体而定$有两排较规则明显的小凹坑"图$".$中小箭头所示$7扫描电子显微镜"Z6.3B.$##!式中C!V分别为被测材料的

8、弹性模量和A9/<<93R,W!M=O$下观察表明"图$"G$!"8$$!其表面在微&((比)C*!V*分别为压头的弹性模