四种昆虫鞘翅断面的超微观结构及仿生模型

摘要

以东方白点花金龟（Protaetia orentalis）、臭蜣螂（Copris ochus Motschulsky）、星天牛（Anoplophora chinensis）和黄缘真龙虱（Cytister bengalensis Aube）为研究对象，利用扫描电子显微镜对鞘翅断面的进行了分析，并结合四种昆虫的生活环境，对观察到的鞘翅材料结构进行了分析和总结；针对鞘翅材料的结构特点，概括和总结了纤维模型和层状复合材料模型。研究结果表明：四种昆虫的鞘翅均由层状复合材料组成，在鞘翅内部发现的纤维（束）的形态略有区别。在花金龟鞘翅鞘翅的纤维（束）形态有T 型结构、正交叠层结构和分叉纤维结构；臭蜣螂鞘翅的纤维（束）形态有网状结构、块状凸起结构和刺状纤维结构；星天牛鞘翅的纤维（束）形态有空腔结构、螺旋结构、孔洞结构和刺状结构；龙虱鞘翅的纤维（束）形态有空腔和孔洞结构。这些天然生物纤维结构形式为轻质仿生复合材料的结构设计提供了可供学习和效仿的生物模型；基于四种昆虫鞘翅的内部结构分析，总结了常用的几种纤维模型，即分叉纤维模型和螺旋纤维模型，并对两种模型进行了模型示意。针对层状复合材料构成的形式，以长纤维和短纤维为例，对长纤维增强复合材料和短纤维增强复合材料的几种形式进行了模型示意，即单向长纤维增强复合材料、双向长纤维增强复合材料[0/90]、双向长纤维增强复合材料[0/90/0]、双向长纤维增强复合材料[0/90/90/0]、多向长纤维增强复合材料[0/45/90]和多向长纤维增强复合材料[0/45/90/-45/0]、单向短纤维增强复合材料、平面随机分布短纤维增强复合材料和空间随机分布短纤维增强复合材料。几种结构模型对复合材料的仿生结构设计提供了依据。