两种动物硬质鳞片的切向及冲击磨损行为研究

摘要

生物经过自然界的优胜劣汰和进化，天然生物材料更是具备着无可比拟的优越性。穿山甲鳞片和乌龟壳都具有坚硬的特性，能够保护内部软组织不受伤害。研究天然生物材料的力学等性能，对仿生材料的设计提供了可靠的实验依据，具有一定的指导意义。
　　本文利用物理化学分析设备X衍射光谱、红外光谱、DMA、硬度仪、扫描电子显微镜对穿山甲鳞片和乌龟壳进行表征;通过拉伸、三点弯曲、切向磨损和冲击磨损实验考察了不同浸泡时间鳞片和龟壳试样的力学性能、切向磨损和冲击磨损性能;通过光学显微镜、三维轮廓仪、扫描电子显微镜等材料学检测手段对磨痕进行分析，讨论了在各项实验中水对试样的作用。主要结论如下:
　　1.研究了水浸泡时间对穿山甲鳞片和乌龟壳试样力学性能的影。随着试样含水量的增加，试样的拉伸强度降低。未浸泡试样的拉伸强度最大，穿山甲鳞片试样的最大拉伸强度为81.6MPa，最小值为60.2MPa。龟壳试样的最大拉伸强度为23.4MPa，最小强度为13MPa。在三点弯曲实验中，随着试样含水量的增加，试样的最大弯曲侧向力逐渐降低，并且经水浸泡的试样在侧向力达到最大值时，仍处于抵抗断裂状态，未断裂。穿山甲鳞片试样的最大弯曲侧向力为117N，而最小弯曲侧向力为60N。龟壳试样最大弯曲侧向力为7.9N，最小为3.8N，最大值比最小值高一倍。
　　2.对水浸泡条件不同试样进行切向磨损实验，水浸没环境时，穿山甲鳞片试样的摩擦系数最小，磨损较轻。而改变穿山甲鳞片纹路与上试样移动方向的角度，摩擦系数和磨损都存在差异。当运动方向与纹路为90°时，其摩擦系数及磨损都是最小，而角度为45°时最大。根据不同浸泡条件乌龟壳试样的切向磨损实验数据，结果表明，当上试样移动速度相同时，水浸没条件下试样的摩擦系数最低，未浸泡试样摩擦系数最高，而在1400s后，摩擦系数最低的为浸泡24小时的试样，而在相同环境下，上试样运动速度越大，摩擦系数越高，磨损越严重。
　　3.针对水浸泡时间不同的穿山甲鳞片和乌龟壳进行冲击磨损实验，在相同的冲击循环下，随着试样浸泡时间的增加，两种材料的峰值接触力均减小，而接触时间均增加。但能量响应则有不同，据能量响应益线分析，穿山甲鳞片反弹速度/动能、吸收能和吸收率随试样含水量增加先降低后升高，其中浸泡时间12小时试样的吸收率最低为38.1％;而乌龟壳反弹速度/动能、吸收能和吸收率随试样含水量增加而升高，其中未浸泡试样的吸收率最低为37％。在不同冲击初始能下，随着初始冲击能的增加，两种材料的接触峰值力、反弹速度/动能和吸收率均增加。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 几种天然生物材料及仿生研究

1．2．1 贝壳珍珠层

1．2．2 鱼鳞

1．2．3 骨骼

1．3 穿山甲鳞片和乌龟壳国内外研究现状

1．3．1 穿山甲鳞片研究现状

1．3．2 乌龟壳研究现状

1．4 论文选题的意义和研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2．1 实验材料

2．1．1 球试样参数

2．1．2 平面试样表征

2．1．3 平面试样参数

2．2 力学性能实验

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验参数

2．2．3 操作流程

2．3 切向摩擦磨损实验

2．3．1 实验装置

2．3．2 实验参数

2．3．3 操作流程

2．4 冲击磨损实验

2．4．1 实验装置

2．4．2 实验参数

2．4．3 操作流程

2．5 表征及分析测试方法

2．5．1 微观结构及成分分析

2．5．2 磨痕分析

2．5．3 硬度／模量分析

第3章 水浸泡时间对穿山甲鳞片力学性能及磨损行为的影响

3．1 水浸泡时间对力学性能影响

3．1．1 拉伸特性

3．1．2 弯曲特性

3．2 切向磨损行为

3．2．1 纹路对鳞片切向磨损的影响

3．2．2 水浸泡时间对切向磨损的影响

3．3 冲击磨损行为

3．3．1 水浸泡时间对冲击磨损的影响

3．3．2 初始冲击动能对冲击磨损的影响

3．3．2 机理分析

3．4 本章小结

第4章 水浸泡时间对乌龟壳力学性能及冲击磨损行为的影响

4．1 水浸泡时间对力学性能影响

4．1．1 拉伸特性

4．1．2 弯曲特性

4．2 切向磨损行为

4．3 冲击磨损行为

4．3．1 水浸泡时间对冲击磨损的影响

4．3．2 初始冲击动能对冲击磨损的影响

4．3．3 机理分析

4．4 本章小结

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果