龙虾螯外甲壳微结构及其力学行为研究

摘要

经过若干世纪的自然选择进化，天然生物复合材料-龙虾外甲壳具有了高的强度、刚度以及断裂韧性等优良力学性质。龙虾外甲壳优良力学性质与其内部微结构密切相关，对龙虾外甲壳优良力学性质与其微结构关系的深入研究，能够为人造高性能复合材料的设计提供重要指导。 本文通过宏细观力学测试、扫描电镜观察、理论模型分析、有限元数值计算及仿生实验相结合的方法，研究了龙虾螯外甲壳微结构与其力学行为之间的关系。本文的主要工作和取得的结论如下： ①对龙虾螯外甲壳试样的力学性质进行了测试。测试方法、内容及取得的结果为：（1）通过拉伸实验，测试了龙虾螯外甲壳不同位置处试样的力学性质。结果显示龙虾螯外甲壳中部的拉伸强度、极限应变以及断裂能大于其前部和后部的拉伸强度、极限应变以及断裂能。即龙虾螯外甲壳具有与位置相关的非均匀力学性质。（2）对龙虾螯外甲壳饱水试样和脱水试样进行了拉伸实验，结果显示龙虾螯外甲壳饱水试样的拉伸强度、极限应变以及断裂能大于脱水试样的拉伸强度、极限应变以及断裂能。即龙虾螯外甲壳的力学性质与含水量密切相关。（3）通过拉伸实验，测试了龙虾螯外甲壳纵向和横向试样的力学性质，结果显示纵向试样的弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂能大于横向试样的弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂能。即龙虾螯外甲壳具有各向异性的力学性质。（4）对龙虾螯外甲壳纵向和横向试样进行四点弯曲实验，结果显示龙虾螯外甲壳纵向试样的弯曲强度、弹性模量、应力强度因子、断裂能和裂纹扩展力大于横向试样的弯曲强度、弹性模量和应力强度因子、断裂能和裂纹扩展力，纵向试样的极限应变小于横向试样的极限应变。这也表明龙虾螯外甲壳具有各向异性的力学性质。（5）对龙虾螯外甲壳试样进行纳米压痕力学实验，结果显示龙虾螯外甲壳中部的硬度和弹性模量大于其前部和后部的硬度和弹性模量。这也表明龙虾螯外甲壳具有细观尺度上的非均匀力学性质。（6）对拉伸及弯曲破坏后的试样断面进行了扫描电镜观察，结果显示，龙虾螯外甲壳是一种多级微结构：它由平行于表面的若干矿化几丁质纤维层所组成，每个纤维层又是由长而细的矿化几丁质纤维片所组成，进一步纤维片又是由纳米尺度直径的矿化几丁质纤维条组成。外甲壳同一纤维层中不同位置处的纤维片与它临近纤维片保持一个小的夹角，从而构成一种纤维螺旋结构。龙虾螯外甲壳纤维层中存在许多微孔洞，这些微孔洞具有椭圆形的形状，且它们的长轴沿外甲壳的纵向方向（可称为纵向孔洞结构）。外甲壳中的纵向孔洞结构与纤维螺旋结构构成纵向孔洞-纤维螺旋结构。 ②根据龙虾螯外甲壳纵向和横向试样的断裂表面螺旋纤维结构特征，建立龙虾螯外甲壳纵向和横向试样断面的裂纹路径分形模型，用分形理论中的能量耗散计算方法，计算了外甲壳纵向和横向试样断裂时的裂纹扩展力。并采用盒子法和改进的盒子法，计算了龙虾螯外甲壳纵向和横向试样断面的分形维数。计算结果与实验结果有较好的一致。 ③基于龙虾螯外甲壳的纵向孔洞结构特征，完成了以下工作：（1）基于线弹性断裂力学和有限元分析方法，建立纵向孔洞模型和横向孔洞模型，比较分析了孔洞方向对其附近裂纹的裂纹尖端应力强度因子的影响。分析结果显示纵向孔洞附近裂纹的裂纹尖端应力强度因子小于横向孔洞附近裂纹的裂纹尖端应力强度因子。（2）基于线弹性断裂力学及扩展有限元分析方法，建立纵向孔洞模型和横向孔洞模型，比较分析了纵向孔洞及横向孔洞对其附近裂纹的裂纹扩展路径的影响，分析结果表明纵向孔洞比横向孔洞使裂纹发生更多折拐，从而消耗更多的断裂能量。（3）基于渐进损伤理论及有限元分析方法，建立纵向孔洞模型和横向孔洞模型，比较分析了纵向孔洞模型和横向孔洞模型的应力分布和损伤演化。分析结果表明，在同样载荷情况下，纵向孔洞模型的最大应力和高应力区域小于横向孔洞模型的最大应力和高应力区域，纵向孔洞模型的损伤区域也小于横向孔洞模型的损伤区域。分析表明龙虾螯外甲壳中的纵向孔洞结构是一种优化结构，它能提高龙虾螯外甲壳抵抗损伤及断裂破坏的能力。 ④根据龙虾螯外甲壳纤维螺旋结构特征，完成了以下工作：（1）制备了仿生纤维螺旋结构复合材料层合板，并用冲击实验测试了其抵抗冲击破坏能力，实验结果表明，纤维螺旋角越小，材料抵抗冲击破坏的能力越大。（2）建立纤维螺旋结构复合材料有限元模型，分析了纤维螺旋结构在冲击载荷下的力学响应。分析计算结果也表明，纤维螺旋角越小，材料抵抗冲击破坏的能力越大。因此可以通过采用小角度的纤维螺旋结构来提高材料抵抗冲击破坏的能力。 ⑤根据龙虾螯外甲壳的孔洞-纤维螺旋结构特征，基于渐进损伤及有限元分析方法，建立孔洞-纤维螺旋结构有限元分析模型，考察了孔洞-纤维螺旋结构的孔洞尺寸以及纤维螺旋角大小对结构抵抗冲击破坏能力的影响。分析结果表明，孔洞-纤维螺旋结构的孔洞尺寸及螺旋角越小，结构抵抗冲击破坏的能力越强。外甲壳孔洞-纤维螺旋结构的小尺寸孔洞及小螺旋夹角是一种优化结构，赋予外甲壳优良抗冲击破坏能力。

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