蛇类爬行动物腹鳞的材料特性及摩擦学行为研究

摘要

随着科学技术和仿生学的发展，仿生学在工程技术和微纳米科学方面的应用越来越广泛，因此人们更加重视从宏观范围到微观范围内对生物材料的形貌特征、力学性能及摩擦学行为等方面的研究。 蛇类爬行动物腹鳞表面具有微观非光滑特性和疏水特性，对蛇的运动起着重要作用，并具有不沾泥土、保持蛇体清洁的作用。腹鳞的这些生物学特性对解决不同尺度范围内的减粘降阻及摩擦各向异性问题具有启示作用。本文以缅甸蟒蛇、乌梢蛇和红点锦蛇三种蛇的腹鳞为研究对象，从材料成分、微观结构、表面性能、力学性能、宏观和微观摩擦学行为等方面进行研究，建立了腹鳞表面摩擦运动的接触模型，旨在了解并掌握腹鳞的材料特性和摩擦学行为，揭示腹鳞的摩擦机理，为蛇类爬行动物腹部表皮的仿生制造提供依据。本论文的主要工作及结论如下： 用傅立叶红外光谱仪、分析天平、物性测试仪分别测试腹鳞的材料成分、吸湿性和拉伸力学性能。结果表明，三种腹鳞的材料成分基本相同，是a角蛋白与B角蛋白的复合结构。腹鳞材料具有吸湿性，吸湿率在8％左右。腹鳞干样品的拉伸弹性模量为1.5 GPa左右，断裂强度为80 MN/m2左右，蟒蛇腹鳞的弹性模量最高，乌梢蛇的最低；湿样品的弹性模量是干样品的1/5～1/3，断裂强度是干样品的1/2左右。这项研究主要在于了解腹鳞的材料特性，为腹鳞材料的摩擦特性研究及其仿生制造提供基础资料。 用扫描电镜和原子力显微镜观察腹鳞表面的微观形貌。结果表明，三种不同腹鳞表面的微观形貌具有相似的结构特征，即高度有序的阵列结构，该结构可以看作由微凸体、微孔、凹坑以及板结构部分周期排列而成，并可以用排间距等11个参数定量描述。不同腹鳞表面上的微观形貌也有很大差异，主要表现在：蟒蛇腹鳞表面上的微凸体为手指状，其高度为200 nm左右，而红点锦蛇和乌梢蛇的微凸体是三角形，高度为60 nm左右；蟒蛇腹鳞的微凸体具有很大的后向角度，呈现出一边锋利、一边平缓的高度非对称性棘爪结构，而红点锦蛇和乌梢蛇腹鳞表面微凸体的后向角度很小；蟒蛇腹鳞表面微凸体的密度最高，是另外两种的1.8倍；蟒蛇和红点锦蛇的板结构部分约占排间距的1/2，而乌梢蛇腹鳞表面上基本没有板结构部分；乌梢蛇和红点锦蛇腹鳞表面凹坑的深度和直径远大于微孔，而蟒蛇腹鳞的凹坑深度相对较小；红点锦蛇腹鳞表面的微孔直径、深度及密度最大。腹鳞表面相似的微观结构特征使其具有减粘降阻及摩擦各向异性的作用，其差异是不同蛇类为了更好地适应栖息环境及运动方式造成的，并与蛇种有关。 用接触角测量仪测量腹鳞表面的水接触角。结果表明，蛇类爬行动物腹鳞表面属于疏水表面，缅甸蟒蛇腹鳞表面的水接触角平均值是110.6。，乌梢蛇的是105.8。，红点锦蛇的是104.5。；腹鳞材料吸湿后表面的水接触角下降2。～3。腹鳞表面的微观形貌可以增加表面的疏水性；在微纳米范围内，接触角随表面微凸体密度的增大而增大，随微凸体高度的增加而增大。 用纳米硬度计研究腹鳞材料的纳米力学性能。结果表明，蟒蛇和红点锦蛇腹鳞材料压入弹性模量的最大值分别为1310 MPa、920 MPa，纳米硬度的最大值分别为104 MPa、90 Mpa；蟒蛇腹鳞的力学性能均高于红点锦蛇；压入过程中，腹鳞材料有蠕变，表明了腹鳞材料的粘弹性属性。腹鳞材料的纳米力学性能与蛇的生活环境有关。 用UMT-2摩擦磨损试验机研究腹鳞表面的宏观摩擦特性。结果表明，腹鳞表面与不锈钢球摩擦副之间具有很低的摩擦阻力，摩擦系数为0.05-0.13，其中蟒蛇的摩擦系数最小，与聚四氟乙烯的相当，红点锦蛇的最大；干摩擦及水润滑时，摩擦系数随载荷的增加而减小，随滑动速度的增加而增加；油润滑时，摩擦系数随载荷的增加而减小，随滑动速度的增加而减小；水润滑时的摩擦系数是干摩擦时的1.3~1.9倍，油润滑时的摩擦系数是干摩擦时的0.8~2.3倍；腹鳞表面有宏观摩擦各向异性行为，前向运动时的摩擦阻力最小，后向运动时的摩擦阻力最大，是前向运动时的1.3~1.5倍，侧向运动时的摩擦阻力介于两者之间，并接近后向运动时的摩擦阻力。腹鳞滑动时的摩擦阻力由表面问粘着力、犁沟力、微凸体的机械变形阻力以及弹性滞后阻力组成，表面粘着力引起的阻力是摩擦力的主要部分；腹鳞表面的疏水性，减小了表面能；微凸体可以破坏水膜的连续性，表面凹坑存储的蛇体分泌液，增加了表面的疏水性，这些是腹鳞表面具有减粘降阻、减少泥土粘附的原因；腹鳞表面微观结构的倾斜角度是造成摩擦各向异性的主要原因。 用原子力显微镜的LFM模式研究腹鳞表面的纳米摩擦性能。结果表明，腹鳞表面具有较低的粘附力和表面粘附能，缅甸蟒蛇、红点锦蛇、乌梢蛇腹鳞表面的粘附能分别为0.042 J/m2、0.045 J/m2和0.047J/m2；腹鳞表面的平均粘附力随着表面粗糙度的增加而减小；腹鳞表面的微观摩擦力与表面的微观形貌及其斜率有关，摩擦力的波动周期与微凸体的变化周期相同，但与微凸体的高度关系不大，与微凸体表面的斜率关系密切，并与微凸体的斜率分布相同；在蟒蛇腹鳞表面微凸体的边缘处，探针上升时的摩擦力变化剧烈，是下降时的2倍多，表现出微观摩擦的各向异性。腹鳞表面的摩擦力随载荷的增加而线性增大，与速度无关；三种腹鳞中，蟒蛇腹鳞的摩擦系数最低，红点锦蛇和乌梢蛇的基本相等。低载荷时，表面粘附力引起的摩擦力占微观摩擦力的主要部分。蟒蛇腹鳞表面上周期性排列的高度非对称的棘爪状微凸体结构是微摩擦各向异性的主要原因。研究结果表明，改变腹鳞表面上微凸体的倾斜角度、分布方式及密度可以改变不同方向上的摩擦力大小。 本文的研究结果表明，蛇类爬行动物腹鳞表面在宏观和微观范围内均具有减粘降阻和摩擦各向异性作用，腹鳞的材料特性和表面的微观形貌是其主要原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

1.1.1宏观领域的摩擦和粘附

1.1.2非轮式蛇形机器人的腹部表皮问题

1.1.3微型机械中的摩擦和粘附

1.1.4课题的意义

1.2仿生学的发展现状及研究方法

1.2.1仿生学的发展及应用

1.2.2减粘降阻方面的仿生研究及应用

1.2.3仿生学研究方法

1.3蛇类爬行动物的仿生研究背景

1.4课题相关的研究现状

1.5论文的主要内容

第二章腹鳞的材料成分及吸湿性

2.1试验用蛇类的选取

2.2蛇皮的组织结构

2.3腹鳞样品的预处理

2.4腹鳞的材料成分测试

2.4.1样品制备

2.4.2实验方法

2.4.3结果与分析

2.5腹鳞材料的吸湿性

2.5.1样品制备

2.5.2试验方法

2.5.3试验结果

2.6本章小结

第三章腹鳞材料的拉伸力学性能

3.1样品制备及试验方法

3.1.1样品制备

3.1.2试验设备

3.1.3试验方法

3.2结果与分析

3.2.1腹鳞厚度

3.2.2腹鳞的拉伸弹性模量及断裂强度

3.2.3腹鳞材料的加载-卸载力学性能

3.2.4腹鳞材料的松弛特性

3.3本章小结

第四章腹鳞表面的微观形貌

4.1表面形貌测试设备及原理

4.2材料与方法

4.2.1样本制备

4.2.2试验方法

4.3结果与讨论

4.3.1缅甸蟒蛇腹鳞表面的微观形貌

4.3.2乌梢蛇腹鳞表面的微观形貌

4.3.3红点锦蛇腹鳞表面的微观形貌

4.3.4蛇类腹鳞表面的微观形貌比较

4.4本章小结

第五章腹鳞表面的润湿性

5.1材料表面的润湿性与接触角

5.2腹鳞表面的润湿性试验

5.2.1样品制备

5.2.2试验方法

5.2.3试验结果

5.3样品表面微观形貌对接触角的影响

5.4本章小结

第六章腹鳞材料的纳米力学性能

6.1纳米力学测试原理及设备

6.1.1纳米压入测量原理

6.1.2试验设备

6.1.3压针选择

6.2样品制备

6.3试验方法

6.4结果与讨论

6.4.1最大载荷下样品的载荷-深度曲线

6.4.2相同载荷下两种样品的压入过程比较

6.4.3样品的纳米力学性能分析

6.4.4样品的蠕变现象

6.5本章小结

第七章腹鳞表面的宏观摩擦学行为

7.1样品制备及试验方法

7.1.1样品制备

7.1.2试验设备

7.1.3试验方法

7.2腹鳞表面的摩擦各向异性

7.2.1样品表面的摩擦曲线

7.2.2试验结果

7.3腹鳞表面的摩擦性能

7.3.1干摩擦时腹鳞表面的摩擦特性

7.3.2水润滑时腹鳞表面的摩擦特性

7.3.3油润滑时腹鳞表面的摩擦特性

7.3.4润滑剂对蛇类腹鳞表面摩擦性能的影响

7.4腹鳞表面的摩擦机理分析

7.4.1古典摩擦定律

7.4.2滑动摩擦理论

7.4.3腹鳞与不锈钢球的静接触

7.4.4腹鳞表面与不锈钢球的动态接触

7.4.5腹鳞表面的摩擦系数表达式

7.4.6摩擦系数曲线拟合分析

7.4.7表面的摩擦痕

7.4.8腹鳞材料表面的减阻机理

7.4.9腹鳞表面的摩擦各向异性机理

7.4.10腹鳞表面的减粘性分析

7.5本章小结

第八章腹鳞表面的纳米摩擦学行为

8.1样品制备及试验方法

8.1.1样品制备

8.1.2纳米摩擦测试及力曲线测试原理

8.1.3试验方法

8.2结果与讨论

8.2.1腹鳞表面的粘附力

8.2.2表面粗糙度对粘附力的影响

8.2.3摩擦力与表面形貌

8.2.4载荷及扫描方向对摩擦力的影响

8.2.5速度对摩擦力的影响

8.3腹鳞表面的微摩擦机理分析

8.3.1微凸体表面斜角对摩擦力的影响

8.3.2腹鳞表面的微摩擦力

8.4本章小结

第九章结论与展望

9.1 结论

9.2展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文