甲虫角几丁质纳米复合材料多尺度设计及仿生结构材料制备

摘要

经过长期的自然选择，尽管生物体采用成分简单且性能不突出的组元，它们却可以通过自组装成巧妙的结构设计，实现优异的综合力学性能与功能特性。其中，甲虫角是生物体进化出的天然生物材料同时又是一种自然武器，它通过多尺度设计赋予其显著的抗断裂性和吸收能量的特点，而且能够兼顾在同一种材料中相互排斥的进攻性和防御性。因此，本研究以雄性双叉犀金龟角作为研究对象，设计了系统的结构表征和力学实验，并研究其结构与力学性能之间的关系，为设计新型仿生结构材料提供理论依据。 本文首先采用多种显微分析技术对角从宏观形状、几何尺寸、与身体的连接、介微观结构、水含量、成分和结构特征进行了系统表征和分析。结果表明，角由密实的角质层和内部填充的泡沫结构芯组成。其宏观形状逐渐向尖端弯曲并形成扁平分叉状。角的横截面从中间位置到底端，其等效半径逐渐增大。角的水含量变化由尖端到底端呈现出先下降后上升的趋势，其中在角的中间位置，水含量达到最低。角中所含有的磷、硫元素在外角质层中富集。外角质层中环向排列的纳米纤维向内部的比例逐渐增加，相反径向排列的纳米纤维则逐渐减少。内角质层是纳米纤维束构成的胶合板结构，且每层的结构取向呈现出不同倾斜角度。基底膜则是结构取向不明显的致密层。角的成分是由几丁质和蛋白质组成，由拉曼光谱分析其强度大小，发现随着外角质层的结构取向由径向逐渐转为环向，其强度逐渐减小。由于内角质层具有胶合板结构，其强度呈现出周期性变化。 对于角的力学性能是在多尺度和不同水合状态下进行测试。其中，宏观压缩实验表明，风干状态的角具有更高压缩强度，再水合状态的角则具有更好的塑性。对角质层的显微硬度测试表明，角的风干状态的显微硬度都高于再水合状态的显微硬度，在同种水合状态下，角的显微硬度由外角质层到内角质层都是逐渐减小的，而不同横截面位置的显微硬度没有差别。采用纳米压痕技术对角的尖端和中间位置的角质层进行分析，结果表明在角的尖端随着相对位置的变化，其纳米硬度和杨氏模量是先升高后降低的趋势；相反在角的中间位置则是先降低后升高的趋势，由于内角质层中各层的结构取向呈现不同倾斜度，导致所测得纳米硬度和杨氏模量具有很大的偏差。 通过动态力学分析进一步解释水合作用对角的力学性能的影响，随着水含量的升高，其储能模量和尺寸收缩逐渐降低，而损耗模量和损耗因子则是逐渐升高。采用有限元模拟分析了角的宏观形状和几何尺寸能够减缓应力集中、延缓裂纹萌生，表现出更好的承载能力。内角质层的胶合板结构在受到力的作用时，其结构能够重新取向，以更好的适应外部的应力-应变条件。 通过揭示自然界中未知的奥秘，提取出天然生物材料中关键的材料学设计原则，为制备高性能仿生结构材料提供有益启示。本文采用冷冻铸造工艺探索制备了以石墨烯为增强相的仿生结构材料，主要有仿木材定向多孔结构具有高强、轻质、高弹性的泡沫金属和仿鲍鱼壳珍珠层的层状结构具有高强、高硬及耐磨的金属基仿生复合材料。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 天然生物材料和自然武器

1.2.1 天然生物材料的简介

1.2.2 自然武器的简介

1.3 典型自然武器—角

1.3.1 角的成分及形成

1.3.2 角的微观结构

1.4 角的力学行为研究现状

1.4.1 角的模量和强度

1.4.2 角的增韧机制

1.5 天然生物材料的仿生意义

1.6 研究目的、内容和意义

第2章 双叉犀金龟角的多尺度设计

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验方法

2.3 实验结果与分析

2.3.1 角的宏观几何形状

2.3.2 角的微观结构

2.3.3 角的水含量

2.3.4 角的微观结构和成分梯度

2.4 本章小结

第3章 双叉犀金龟角的力学性能

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验方法

3.3 实验结果与分析

3.3.1 压缩性能

3.3.2 显微硬度

3.3.3 纳米压痕

3.4 本章小节

第4章 双叉犀金龟角的性能优化机制

4.1 引言

4.2 实验材料及方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.3 实验结果与分析

4.3.1 动态力学分析

4.3.2 有限元模拟分析

4.3.3 角的生物力学功能的微观机制

4.4 本章小结

第5章 仿生结构材料的制备探索

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.2.1 实验材料

5.2.2 实验方法

5.3 实验结果与分析

5.3.1 组织结构表征

5.3.2 力学性能

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文