面向微流体系统的家蚕前部丝腺准静脉轴向拉伸力学性能研究

摘要

微通道是微流体系统的核心单元,由于特征尺度的减小,微通道及其内部流体流动特性已成为微流体系统研究的热点。目前,国内外学者主要采取理论研究、实验研究和仿真分析相结合的方式研究微通道及其内部流体的流动特性。而家蚕作为自然微系统,在吐丝过程中表现出良好的微流动特性,且具有吐丝器官结构简单、驱动能耗低和流动正常性好等特点,为微流体系统的研究提供了仿生研究的思路。
　　本文鉴于前部丝腺与微通道的结构和功能相似,但力学性能迥异的特点,以研究基于前部丝腺的仿生微通道为目的,从前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能研究方法和检测机理两方面,研究生物软组织力学特性、超弹性力学模型、前部丝腺的细观结构特征及丝素溶液的物理特性;通过实验研究和仿真分析,获得前部丝腺的准静态轴向拉伸力学模型,验证了检测机理;最后对前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能进行应用研究。本文主要完成了以下研究:
　　(1)研究生物组织常规研究方法、力学行为、超弹性力学模型以及家蚕前部丝腺细观结构特征、丝素溶液的主要物理特性,分析拉伸过程,提出了家蚕前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能研究方法和检测机理;
　　(2)用YG001D电子式单纤维强力仪和扫描电子显微镜(JSM-6480)试验研究复合体家蚕前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能,重点讨论了试样断口显微形貌和复合体前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能;
　　(3)用Abaqus6.10软件和Origin8.0软件处理长度为10mm的五龄第10天复合体家蚕前部丝腺实验数据,获得了应变率为0.01s-1、0.015s-1和0.025s-1的前部丝腺和丝素溶液的准静态轴向拉伸超弹性本构模型;
　　(4)通过对应变率为0.025s-1复合体前部丝腺拉伸过程的仿真分析,验证了力学模型和检测机理的正确性;
　　(5)结合微流控芯片微通道的结构和功能特征,从仿生微通道材料选取、制备及仿生微通道加工方法等方面,进行了家蚕前部丝腺准静态拉伸力学性能的应用研究。

目录

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 微流体系统

1.3 微通道研究进展

1.4 家蚕丝腺和丝素溶液研究现状

1.5 课题研究思路、研究内容及组织结构

第2章 生物软组织力学特性及超弹性模型

2.1 生物软组织力学特性研究方法

2.2 生物软组织力学行为

2.3 超弹性本构模型

2.4 前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能研究方法

2.5 本章小结

第3章 前部丝腺和丝素溶液特性及力学性能检测机理研究

3.1 前部丝腺细观结构和丝素溶液特性研究

3.2 复合体前部丝腺轴向拉伸模型

3.3 复合体前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能检测机理

3.4 本章小结

第4章 复合体前部丝腺准静态轴向力学性能试验研究

4.1 准静态轴向拉伸试验

4.2 复合体前部丝腺断口显微形貌分析

4.3 实验数据处理及分析

4.4 本章小结

第5章 前部丝腺和丝素溶液的力学本构模型及仿真分析

5.1 前部丝腺和丝素溶液准静态轴向拉伸超弹性本构模型

5.2 复合体前部丝腺有限元模型建立

5.3 实验与仿真结果对比分析

5.4 本章小结

第6章 前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能的应用研究

6.1 微流控芯片概述

6.2 微流控芯片微通道的材料特性与加工方法研究

6.3 前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能总结

6.4 前部丝腺准静态轴向拉伸力学性能在仿生微通道中的应用

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间的学术成果

致谢