（固体力学专业论文）金龟子外甲壳微结构的强韧性分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 自然界的生物材料几乎都是复合材料，因此都可被称为自然生物复合材料。 自然生物复合材料经过若干世纪的选择进化，形成了各种优良的微结构，这些优 良的微结构使自然生物复合材料具有了优良的力学性质。对自然生物复合材料微 结构的深入研究将给人造高性能新型复合材料研究提供有益指导。金龟子外甲壳 是一种典型的自然生物复合材料，具有优化的微结构和优良的力学性质。本研究 首先使用扫描电镜( s e m ) 观察了金龟子外甲壳的微结构，发现其是一种由几丁质纤 维和蛋白质基体组成的纤维增强生物复合材料，观察也发现其中存在以下奇特的 微结构：( 1 ) 异形纤维端头；( 2 ) n 状纤维；( 3 ) 纤维绕孔排列；( 4 ) 双喇叭形支柱夹芯 结构；( 5 ) 纤维非均匀铺层。对这些奇特的纤维及纤维铺层微结构建立简化的微结 构模型，并利用有限元工具对这些微结构及人造复合材料常规纤维增强结构的力 学性质进行了比较分析，得到以下结论： ( 1 ) 异形纤维端头通过减小其纤维端头与基体交界面上的剪应力集中，较好地 避免纤维与基体的脱胶，提高了材料强韧性。异形纤维端头也能够显著提高了复合 材料的刚度。 ( 2 ) 刺纤维可提高纤维的拔出阻力和复合材料的屈服极限，降低纤维一基体间的 最大剪应力，改善复合材料的强韧性； ( 3 ) 纤维绕孔排列方式使得复合材料孔洞处增强纤维保留，可减小孔边应力集 中及较好地传递孔边应力，提高了含孑l 复合材料的强度和刚度； ( 4 ) 双喇叭形支柱夹芯结构可提高材料的抗压和抗剪切能力。 ( 5 ) 纤维非均匀分布铺层通过根据外载情况合理地布置纤维粗细疏密，使得复 合材料有更大的抵抗弯曲变形和失稳破坏的能力，实现了用较少的材料来承担较大 载荷。 通过对昆虫外甲壳各种微结构的分析研究，进一步地认识到了昆虫外甲壳自 然生物复合材料微结构的强韧机理，为高性能人造纤维增强复合材料的仿生设计 提供了有益指导。 关键词：金龟子外甲壳，自然生物复合材料，微结构，纤维与基体，有限元分析 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t g e n e r a l l y , b i o l o g i c a lm a t e r i a l si nn a t u r ea r ec o m p o s i t e s ，s ob i o l o g i c a lm a t e r i a l s c a l lb ec a l l e da sn a t u r a lb i o c o m p o s i t e s c o m i n gt h r o u g hn a t u r a le v o l u t i o no v e rm a n y c e n t u r i e s ，n a t u r a lb i o c o m p o s i t e s i n c l u d e v a r i o u se x c e l l e n tm i c r o s t r u c t u r e s t h e m i c r o s t r u c t u r e sm a k et h a tt h en a t u r a lb i o c o m p o s i t e sp o s s e s se x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h er e s e a r c ho nt h em i c r o s t r u c t u r e so fn a t u r a lb i o c o m p o s i t e sc a no f f e r i n s t r u c t i v eg u i d a n c ef o rt h er e s e a r c ho fm a n m a d eh i g h - p e r f o r m a n c ec o m p o s i t e s c h a f e rc u t i c l ei sa1 ( i n do fr e p r e s e n t a t i v en a t u r a lb i o c o m p o s i t ew h i c hp o s s e s se x c e l l e n t m i c r o s t m c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h er e s e a r c h ，t h em i c r o s t r u c t u r e so fa c h a f e rc u t i c l ea r eo b s e r v e d w i t has c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) t h e o b s e r v a t i o ns h o w st h a tt h ec u t i c l ei sak i n do ff i b e r - r e i n f o r c e db i o c o m p o s i t ec o n s i s t e d o fc h i t i nf i b e ma n dp r o t e i nm a t r i x t h eo b s e r v a t i o na l s os h o w st h a tt h e r ea r em a n y p a r t i c u l a rm i c r o s t r u c t u r e sw h i c hi n c l u d e ：( 1 ) a b n o r m a lf i b e re n d ；( 2 ) s p i n o u sf i b e r ；( 3 ) f i b e r r o u n d h o l ep l y ；, ( 4 ) d u a l t r u m p e t - s h a p ep i l l a r ；( 4 ) h e t e r o g e n e o u sf i b e rp l y b a s e do nt h eo b s e r v e dr e s u l t so ft h es e m ，t h ea n a l y s e so ft h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l so nt h es i m p l ec o m p o s i t ee l e m e n t sw i t ht h ea b n o r m a l f i b e re n d ，s p i n o u sf i b e r , f i b e r - r o u n d - h o l ep l y , d u a l t r u m p e t s h a p ea n dh e t e r o g e n e o u sf i b e rp l ya r ec o n d u c t e d t h e s ec o m p o s i t ee l e m e n t sc a r lw e l lp r e s e n tt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo b s e r v e d m i c r o s t r u c t u r e so ft h ec h a f e rc u t i c l e t h ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s e m i c r o s t r u c t u r e sa r ea n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n tt o o l s t h e ya r ea l s oc o m p a r e dw i t h t h em o d e l so ft h ec o n v e n t i o n a ls t r u c t u r e so fm a n m a d ef i b e r - r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s f o l l o w i n gp r o f i t a b l ec o n c l u s i o n sf o rd e s i g n i n gm a n m a d ea d v a n c e dc o m p o s i t e s a r e o b t a l n e d ： ( 1 )a b n o r m i t ye n do ff i b e rc a nd e c r e a s et h ec o n v e r g e n c eo fi n t e r f a c es h e a r i n g s t r e s sb e t w e e nt h ef i b e ra n dm a t r i xa n dc a nm a r k e d l yi m p r o v et h es t r e n g t h a n dt o u g h n e s so ff i b e r - r e i n f o r c e dc o m p o s i t e t h er i g i d i t yo ft h ec o m p o s i t e w i t ht h ea b n o r m i t ye n do ff i b e r sc a l la l s ob ei n c r e a s e dc o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a lc o m p o s i t e ( 2 )s p i n o u sf i b e r sc a ni n c r e a s et h ep u l l o u tf o r c eo ft h ef i b e ra n dd e c r e a s et h e c o n v e r g e n c eo ft h es h e a r i n gs t r e s sb e t w e e nt h ef i b e ra n dm a t r i x ，w h i c hc a n i m p r o v et h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so f f i b e r - r e i n f o r c e dc o m p o s i t e ( 3 ) f i b e r - r o u n d h o l ep l yc a nd e c r e a s et h es t r e s sc o n v e r g e n c ea n dw e l lt r a n s f e r 1 i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h es t r e s s ，w h i c hi m p r o v e st h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so ft h ec o m p o s i t e i n c l u d e dh o l e s ( 4 ) d u a l t r u m p e t s h a p ep i l l a r c a ni m p r o v et h es h e a r i n ga n dc o m p r e s s e d s t r e r l g t ho fas a m d w i c hc o m p o s i t e ( 5 ) h e t e r o g e n e o u sf i b e rp l yc a nr a t i o n a l l yd i s t r i b u t et h es i z e sa n dd e n s i t i e so f f i b e r s ，w h i c hm a k e st h a tt h ef i b e rp l yp o s s e s s e sh i g h e rs t a b i l i t yo fb e a r i n g l o a d i n g t h e s ec o n c l u s i o n sp r o v i d et h ep r o f i t a b l ed e s i g ng u i d a n c ef o rm a n - m a d e f i b e r - r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s k e y w o r d s ：c h a f e rc u t i c l e ；n a t u r a lb i o c o m p o s i t e ；m i c r o s t r u c t u r e ；f i b e ra n dm a t r i x f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字目期：年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重压盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：关抟臣 签字目期：抄年修月，叫j 导师签名：睬欢 签字日期：弦以年 2 月1 2 日 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 自然生物复合材料的研究意义 复合材料由基体和增强体组成。复合材料经基体和增强体的合理组合后具有 增强体和基体单独存在所没有的优良力学性能，具有比强度高、比刚度大、材料 性能可设计性等一系列优点，满足了许多重要工程问题的需要，已在航空、航天、 核工业、汽车等不同行业得到广泛应用【l 】。开展对复合材料基体和增强体成分、形 态及组合关系的深入研究，对设计出具有最优力学性质的复合材料具有重要意义 2 - 4 1 。尽管，若干年来人们利用复合材料的可设计性已经设计出许多具有优良力学 性质的复合材料，取得了许多研究成果，但是，由于复合材料设计和制备的复杂 性，合理的复合材料设计及高性能复合材料制备仍存在许多疑惑和困难。例如， 设计的陶瓷复合材料很难保证强韧兼备的力学性质：又如在复合材料中由于界面 应力集中等原因，造成纤维从基体中脱胶、拔出，导致复合材料基体开裂、界面 滑移等破坏，降低了复合材料的性能。 近年来，人们发现在自然界中的大多数生物材料是性质优良的复合材料( 这 些材料可称为生物复合材料) ，如骨、肌腱、牙齿、昆虫壳、贝壳以及竹、木、麻 等，同时具备了很高的强度、刚度及断裂韧性。进一步研究发现生物复合材料的 这些优良力学性质密切相关于这些材料经过长期自然选择和进化所形成的天然合 理的微结构。人们领悟到如果我们能深入研究自然生物复合材料的微结构，深层 次认识其强韧机理，并在此基础上模仿其微结构进行仿生复合材料研究，将可能 消除人工合成复合材料设计及制备中的疑惑和困难，开发出新型高强韧性复合材 料。 1 2 自然生物复合材料的研究现状 近年来，许多研究工作者己对多种自然生物复合材料及其微结构进行了研究。 几种典型的自然生物复合材料及研究成果如下： 1 2 1 对乌龟壳的研究 乌龟壳是一种具有高强韧性的自然生物复合材料。张永东【5 】等研究了乌龟壳的 力学性能与显微结构，发现乌龟壳由外层密质层和内层松质层组成，这两种结构 层中的优良微结构及其合理组合使乌龟壳具有了十分高的抗弯强度和断裂韧性， 其抗弯强度达到1 6 5 1 m p a ，断裂韧性达到3 6 4 m p a m 。研究也发现乌龟壳的密 质层中存在一种奇特的管状系统使乌龟壳具有自愈合和再生能力。 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 2 2 对贝壳的研究 贝壳由体积分数为9 5 的无机钙盐( c a c 0 3 ) 和体积分数为5 的蛋白质及多糖 等有机物组成【6 】，因此贝壳被称为天然陶瓷生物复合材料。由于贝壳所具备的优良 微结构，使其也具有高强度及高断裂韧性等优异力学性能。j a c k s o n 等【7 】和b a r t h e l a t 等喁塘过实验得出贝壳的拉伸强度达1 7 0 m p a ，弹性模量达7 0 g p a ，断裂韧性达 2 0 m p a - m 坦。冯庆玲等f 9 】基于珍珠母贝壳的晶体微结构，仿生制造出a 1 2 0 3 芳纶纤 维增强树脂层状复合材料，这种复合材料的断裂韧性较单相a 1 2 0 ，陶瓷显著提高。 1 2 3 对昆虫壳的研究 昆虫壳是另一种典型的具有较高比强度和比刚度的自然生物复合材料 1 0 , 1 1 1 。已 有的观察结果表明昆虫壳由几丁质纤维和硬化蛋白质基体所组成。昆虫壳的优良 力学性能也密切地相关于昆虫壳内部各种优化的微结构1 1 2 - 1 4 1 。近年来，国内外已 经有许多研究者对这些优良微结构进行了一定深度的研究。g u n d e r s o n t l 5 】等观察了 蜣螂昆虫壳，发现其中存在非对称的双螺旋几丁质纤维铺层结构。s k o r d o s 1 6 】等用 二维和三维有限元模型分析了在昆虫壳中的钟形感应器成孔在拉应力下的应变能 以及在压应力下非均匀模型的变形，为应力应变传感器的设计、研发提供了一个 新的思路。佟金等【1 7 】用扫描电镜观察了土壤动物甲壳的典型体表形态，分析了其 耐磨性和不沾泥机理，并据此研制出触土农机部件的仿生涂层，为解决触土部件 的土壤粘附问题进行了有益的探索。张培源等 1 s , 1 9 l 基于在昆虫壳中发现的螺旋铺 层和蜂窝结构，进行了螺旋铺层材料层合板的抗扰刚度及蜂窝状材料的等效本构 方程的研究，得到螺旋角的恰当选取可以显著地提高层合板抗扰刚度等结论。杨 运民等【2 0 】根掘在昆虫壳中观察到的纤维绕孔增强微结构，运用迭代设计、有限元 方法和强度准则对仿生预成型孔复合材料的单层板及层合板在复杂面内载荷作用 下的强度进行了分析，结果证实绕孔复合材料的力学性能显著优于常规铺层复合 材料。陈锦祥【2 l 】等观察了独角仙前翅内部存在的网状小柱结构，提出了“蜂窝柱 子”夹芯轻型仿生物复合材料的微结构模型，这种微结构有望在建筑材料、隔音材 料及航天、航空器材料设计等方面得至应用。 1 3 纤维增强生物复合材料的研究现状 在自然生物复合材料中，纤维增强生物复合材料占了很大的比例，人们希望 从纤维增强生物复合材料的研究中得到启发，进而进行纤维增强复合材料的仿生 设计 2 2 1 。纤维增强复合材料的仿生设计的一个重要方面是模仿生物复合材料增强 纤维的形态来进行增强纤维的设计田】，采用在纤维增强生物复合材料中常见的空 心纤维、哑铃形纤维、珠链状纤维、环形纤维、树权形纤维、螺旋纤维以及其它 异形纤维来增强人造复合材料。在对纤维增强生物复合材料及仿生研究中，研究 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 工作者在以下方面取得了较大进展： ( 1 ) 哑铃状或骨形纤维增强复合材料 哑铃状或骨形纤维是根据动物骨头的外形特点，对纤维进行形态仿生而发展 起来的。这类复合材料的典型代表是骨形( 哑铃状) 金属或有机短纤维增强的聚合物 复合材料。周本濂等人【2 4 】通过模型分析，研究了哑铃状短纤维增强复合材料，发 现哑铃状短纤维可以明显地改变复合材料中纤维轴向应力分布的不均匀性，显著 减小纤维端部的剪应力，且该短纤维复合材料的断裂强度与纤维的长度无关。他 们测得采用5 0 c r 钢丝带球纤维增强锡复合材料，比平直钢丝纤维增强锡纤维增强 复合材料的拉伸强度提高了1 0 7 。周本濂等【2 5 】也研究了钢丝增强混凝土，发现由 于骨形短纤维和基体之间存在的机械嵌合作用，使得由于骨形短纤维的加入显著 地提高了混凝土的强度、韧性和刚度。而对于骨形聚乙烯短纤维增强不饱和聚酯 的研究，他们发现在界面粘结较弱及优化纤维形态的条件下，加入骨形短纤维能 够改善复合材料的强度和韧性，但纤维端部的加大将导致复合材料较早地出现基 体开裂，因而必须对纤维端头的形状进行优化设计。 ( 2 ) 锚端纤维增强复合材料 用锚端形状的纤维来制造复合材料也使复合材料的力学性能有较大提高。 w e t h e r h o l d 等人【2 6 1 的研究结果表明，虽然由于复合材料的基体收缩，纤维表面的 处理情况以及锚端形状等对复合材料性能产生影响，但带锚端形状端头的韧性金 属纤维能够大幅度地提高材料的韧性。q i a n 等人 2 7 1 发现仅含1 体积分数的带锚 端形状端头的碳钢纤维增强混凝土具有较高的强度、弯曲刚度和韧性。 c h a n v i l l a r d 2 8 谰带有半圆形、钩形和波浪形等异形端头的钢纤维来增强混凝土，这 些纤维在拔出变直时消耗了更多的摩擦功和塑性变形能，提高了混凝土的强度和 韧性。 ( 3 ) 螺旋纤维增强复合材料 李世红等人【2 明的研究表明采用螺旋碳纤维制成的复合材料具有高的抗拉强度 和冲击韧性。陈斌等人【3 0 1 的研究则表明用螺旋铺层纤维增强的复合材料具有较好 的断裂韧性和抗扭强度。除此之外具有螺旋结构的金属纤维、有机纤维、碳纤维 和玻璃纤维已开始用来增强天然橡胶、合成橡胶和p v c 等热塑性树脂。 ( 4 ) 竹节状纤维增强复合材料 蔡长庚和许家瑞 3 1 - 3 2 】选用直径较大的聚酰胺纤维加工成竹节状纤维，用竹节 状纤维增强环氧基复合材料。研究表明此时应力沿纤维方向的分布较为均匀，在 弱界面结合时竹节状短纤维复合材料比相同原料的凸端短纤维复合材料有更好的 界面性能、拉伸强度和韧性。 ( 5 ) 中空纤维增强复合材料 重庆大学硕士学位论文1 绪论 人们模拟天然复合材料中的纤维中空结构，制得中空纤维增强复合材料，中 空纤维增强复合材料比实心纤维增强复合材料具有更高的韧性、弯曲强度和较轻 的重量，并且中空纤维可用于具有自修复功能的智能复合材料中【”1 。 ( 6 ) 扁平纤维增强复合材料 日东纺用带形、椭图形和茧形等短玻璃纤维生产性能高而厚度薄的扁平纤维 增强环氧树脂复合材料纸，该纸中用于增强的扁平纤维含量较普通纤维提高了2 0 4 0 。另外，茧形玻璃纤维还可用于增强p e t 、p b t 、p s 和a b s 等热塑性塑 料。研究表明茧形玻璃纤维增强树脂基复合材料具有比圆形玻璃纤维复合材料更 高的拉伸、弯曲和冲击强度。研究也表明茧形玻璃纤维与树脂组成的混合料的流 动性较好，可以降低注射压力和减少纤维断裂的机纠3 4 1 ，而b o n i f a c e 等人【3 5 1 发现 将茧形和椭圆形玻璃纤维加入到复合材料中，虽然使复合材料的弯曲强度和模量 有所降低，但得到的复合材料具有较高的拉伸伸长率和能较好地阻止损伤扩展。 1 4 有限元及细观力学有限元方法 有限元法介于试验方法和理论分析之间【3 6 1 ，既具有数学分析所具备的精确性， 又能照顾到问题的不规则性，能对不规则几何结构做精确的数值分析，在现代工 程技术领域中有着非常广泛的应用。与试验研究相比，有限元分析可以方便的调 整相关的参数，获得一些用实验方法不易取得的数据，在一定程度上可替代相应 的试验研究。 有限元法分析问题的基本步骤为【3 7 】： ( 1 ) 结构离散化； ( 2 ) 选择位移函数； ( 3 ) 建立单元刚度矩阵和平衡方程； ( 4 ) 总体刚度矩阵的组装和整体平衡方程的建立； ( 5 ) 求解。 有限元法与复合材料细观力学相结合产生了细观力学有限元法3 8 捌。细观力 学有限元法求解复合材料细观力学问题的研究始于二十世纪七十年代4 叭，随着复 合材料细观力学的不断发展，细观力学有限元法在复合材料刚度、强度、损伤等 研究方面得到了较广泛的应用，尤其是用于复合材料细观力学行为的模拟分析， 以获得宏观力学性能与细观结构的关系。细观力学有限元法能够允许应变在组分 相中变化【4 ”，能够获得纤维直径尺度下完整的基体和增强相的应力、应变场并反 映宏观应力应变响应特征，从而能够定量地分析宏观有效性能对细观结构的依赖 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 关系，即使对十分复杂的细观结构以及复合材料的非线性行为，都具有较高的分 析精度。h a s h i n h 2 i 指出，复合材料细观力学本质特征之一是能够隔离出代表性体 积元。将细观力学有限元法应用于复合材料力学行为数值模拟，即将有限元分析 方法与细观力学相结合，根据复合材料具体细观结构，建立细观代表性计算体元、 边界条件，求解外载作用下计算体元的边值问题。 1 5 本文的研究内容、思路及结论 1 5 1 研究内容 1 、通过扫描电镜实验观察金龟子外甲壳的微结构： 通过扫描电镜实验观察金龟予外甲壳的微结构，发现其是一种由几丁质纤维和 蛋白质基体组成的生物复合材料，观察也发现其中存在以下奇特的微结构：( 1 ) 异 形纤维端头；2 ) 刺状纤维；( 3 ) 纤维绕孔排列；( 4 ) 双喇叭形纤维支柱夹芯结构；( 5 ) 非均匀纤维铺层。 2 、用有限元分析金龟子外甲壳微结构的强韧性： 针对在金龟子外甲壳中发现的奇特的纤维及纤维铺层微结构，建立各种微结构 的有限元模型，通过有限元模型分析了各种微结构的剪应力、应力和变形的关系及 抗弯能力等，并将得到的结果与人造复合材料中常规纤维及纤维铺层结构的计算分 析结果进行比较，揭示金龟子外甲壳各种典型微结构的强韧机理。具体研究了以下 微结构：( 1 ) 异形纤维端头；2 ) 刺状纤维；( 3 ) 纤维绕孔排列；( 4 ) 双喇叭形纤维支柱 结构；( 5 ) 非均匀纤维铺层。 1 5 2 研究思路 本文首先运用扫描电镜观察自然生物复合材料金龟子外甲壳的微结构，然后 针对在金龟子外甲壳中发现的几种典型微结构，建立相应微结构的有限元模型， 通过有限元方法分析计算微结构的应力分布，应力和应变关系等，通过与人造复 合材料常规纤维及纤维铺层结构计算结果的比较分析，探索了金龟子外甲壳的强 韧机理，为仿生复合材料的设计提供了有益指导。 1 5 3 研究结论 ( 1 ) 异形纤维端头通过减小其纤维端头与基体的剪应力集中，较好地避免纤维 与基体的脱胶，提高了材料强韧性。异形纤维端头也能够显著提高复合材料的刚度。 ( 2 ) 刺状纤维提高了纤维的拔出阻力和屈服极限，降低了纤维基体间的最大剪 应力，改善了复合材料的强韧性； ( 3 ) 纤维绕孔排列使得复合材料在其孔洞处的增强纤维保留，这些纤维较好地 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 传递了孔边应力，减小了孔边应力集中，提高了含孔复合材料的强度和刚度。 ( 4 ) 双喇叭形纤维支柱夹芯结构中的纤维连续地进入所连接的上下层板，这种 结构可提高材料的抗压、抗剪强度。 ( 5 ) 纤维非均匀铺层根据外载情况合理地布置纤维的粗细疏密，使得复合材料 获得更高的比强度和比刚度。 研究结果对深入研究自然生物复合材料微结构与材料性能的关系，认识自然生 物复合材料微结构的强韧机理，进行新型高性能复合材料设计和制备具有指导意 义。 6 重庆大学硕十学位论文2 金龟子外甲壳的实验观察 2 金龟子外甲壳的实验观察 2 1 实验准备工作 不同的昆虫壳可能有不同的微结构特征，本文选择金龟子的外甲壳作为研究 对象。金龟子的外形如图2 1 所示，实验样品是在自然中任意捕捉的。实验准备过 程包括以下几个主要步骤： 1 、从金龟子身上剥离外甲壳，用9 9 的工业纯酒精浸泡使其干燥脱水； 2 、根据所需观察的层面对试样进行各种方位的剖切，剖切后的试样平均长度 约为2 m m 。 3 、将试样放于等离子溅射仪中抽真 空及喷金处理； 4 、置于a m r a y k y k ：y - 1 0 0 0 b 型扫描电 镜( s e m ) 中对其微结构特征进行观察。 试验过程中注意试样的显示位置，通 过电镜下的仔细观察和电镜照片，了解金 龟子外甲壳主要部分及层面的微结构特 征。观察的重点是金龟子外甲壳内部起增 强作用的几丁质纤维的形态和纤维排列 方式。电镜照片上的标尺条用来确定金龟 子外甲壳内部微结构的尺寸及位置关系。 图2 1 绿金龟子 f i g2 ig r e e nc h a f e r 2 2 观察结果 扫描电镜的观察结果表明金龟子外甲壳是一种由几丁质纤维和蛋白质基体组 成的生物复合材科，观察也发现其中存在多种奇特的纤维及纤维铺层结构。它们 包括：( i ) 异形纤维端头：( 2 ) 刺状纤维；( 3 ) 纤维绕孔排列；( 4 ) 双喇叭形支柱夹芯结 构；( 5 ) 非均匀纤维铺层。这些异形纤维及纤维铺层微结构具有明显的增加强韧性 特征。本文分别针对这些奇特的纤维及纤维铺层结构建立有限元模型，通过有限 元分析计算及与人工合成复合材料常规纤维及纤维铺层的比较分析，探索这些微 结构的强韧机理。 7 重庆大学硕士学位论文3 异形纤维端头微结构的强韧机理分析 3 异形纤维端头微结构的强韧性分析 3 1 金龟子外甲壳中的异形纤维端头微结构 在对金龟子外甲壳的扫描电镜观察中发现其中存在各种具有异形端头的几丁 质纤维，其中包括锥形端头纤维和球形端头纤维。锥形端头纤维的特点是在纤维 的端部其尺寸明显变大，且具有锥形的形状( 图3 1 ( a ) ) 。球形端头纤维的特点也是 在纤维的端部其尺寸变大，但具有球形的形状( 图3 1 ( b ) ) 。 图3 k a ) 锥形端头纤维 f i 9 3 1 ( a ) t a p e r - e n d f i b e r 图3 1 ( b 1 球形端头纤维 f i g3 1 ( b ) b a l l e n df i b e r 3 2 锥形和球形端头纤维的有限元模型、边界条件及网格划分 针对在金龟子外甲壳中发现的锥形端头纤维和球形端头纤维，分别建立反映 其主要结构特征的锥形端头纤维和球形端头纤维的有限元模型，并进行分析。有 限元分析采用的软件是a b a q u s 商业软件，研究的重点是异型端头纤维增强复合 材料的纤维一基体间的剪应力分布及变形与载荷关系，得到的结果与普通平直端头 纤维的计算结果进行比较，以认识这些不同形状 端头纤维的强韧机理。 假设一段不同端头的纤维埋设在圆柱形的 复合材料基体单元中，如图3 2 所示为平直端头 纤维埋设在基体的三维示意图，单元体的两端承 受拉伸载荷。由于所研究问题的轴对称性，可作 为轴对称问题来进行研究，如图3 3 ( a ) 、( b ) ，( c ) 所示，分别为锥形、球形和平直端头的纤维埋设 在基体中的模型，材料参数的选用如表3 1 所示。 图3 2 复合材料模型 f i g 3 2c o m p o s i t em o d e l 重庆大学硕士学位论文 3 异形纤维端头微结构的强韧机理分析 图3 3 0 ) 、( b ) ，( c ) 所示的复合材料基体单元的半径r = 1 6 m m ，长l 2 = 1 2 5 m m 。设 埋设在此单元体中纤维平直段的半径r = o 4 m m ，长度l 2 = i l m m ，锥形端头和球状 端头纤维的端部半径分别取p = o 6 m m 、0 7 m m 、o 8 m m 和0 9 m m 。在分析中也作以 下假设【4 3 , 4 4 1 ： ( a ) 纤维和基体之间的界面结合是完好的，不发生滑移。 ( b ) 组分材料是均质的。 ( c ) 复合材料及其各组分都处于小变形状态。 ( d ) 复合材料的基体强度和刚度与纤维相比，数值较小，而且无形交强化，为 便于有限元计算，假设基体发生屈服的条件遵循m i s e s 屈服条件： ( 盯t 一盯2 ) 2 + ( q 一盯3 ) 2 + ( 盯2 一盯3 ) 。= 2 c r j ( 以上假设对后面章节的各微结构有限元模型的计算同样适用) ( c ) b a l l m df i b e r t a p e r e n df i b e r 图3 3 平直端头( a ) 、锥形端头( b ) 与球形端头( c ) 纤维模型 f i g3 3m o d e lo f p l a i n - e n df i b e “a ) ，t a p e r - e n df i b e r ( b ) a n db a l l - e n df i b e r ( c ) 表3 1 材料参数 t a b i e3 1m a t e r i a lc o n s t a n t so f f i b e ra n dm a t r i x 9 重庆大学硕士学位论文 3 异形纤维端头微结构的强韧机理分析 有限元网格划分采用c a x 4 r 单元( 即四边形四节点双线性等参单元h 5 】) ，纤维 和基体的材料参数见表3 1 【4 6 1 所示，研究模型的有限元网格划分结果如图3 4 ( a ) 、 ( b ) 、( c ) 所示。有限元模型的边界条件为： 石= o 时u = 0 ) ，= 0 f 时矿= o ； x = o ，y = o 时 = o ； o t ( f ) n i = q ( 。) 吩 这里，队v 分别为单元体在工、y 方向的变形量，为复合材料界面剪应力， 盯f 介和q j 4 分别为纤维和基体的界面剪应力 维基体界面 ( a ) 平直端头纤维 ( a ) p l a i n - e n df i b e r 基体界面 ( b ) 锥形端头纤维 t a p e r - e n df i b e r 图3 4 不同端头纤维的网格划分 f i g3 4m e s h e so f d i f f e r e n tf i b e re n d s 1 0 基体界面 ( c ) 球形端头纤维 ( c ) b a l l - e n df i b e r 重庆大学硕士学位论文3 异形纤维端头微结构的强韧机理分析 3 3 计算结果 3 3 1 纤维基体交界面上各点的剪应力 2 7 5 2 2 5 _ l 7 5 宅。2 5 0 7 5 o 2 5 - 0 2 5 0l23 45 67 89 1 01 11 2 a l o n g x a x i s f i r t h 图3 5 锥形端头纤维和平直端头纤维的剪应力分布曲线 f i g3 5c u r v eo f t h es h e a rs t r e s sa l o n gt h et a p e r - e n da n dp l a i nf i b e r s i 行 1 2 5 芒 苫 、07 5 。2 5 _ o ，2 5 01234567891 01 11 2 a l o n g x a x i s m a n 图3 6 球形端头纤维的剪应力分布曲线 f i g3 6c u r v eo f t h es h e a rs t r e s sa l o n gt h eb a l l e n df i b e r 纤维增强复合材料的力学特性很大程度上依赖于纤维和基体的应力传递【4 6 】， 对不同尺寸的锥形及球形端头( r 。= 0 6 ，0 7 ，0 8 ，0 9 m m ) 和普通平直纤维增强的复 重庆大学硕士学位论文3 异形纤维端头微结构的强韧机理分析 合材料施以o v = 9 m p a 的沿纤维方向( x 向) 的均匀拉应力，计算出锥形与球形端头纤 维及普通平直纤维沿纤维基体交界面( 如图3 4 所示) 上各点的剪应力，计算结果 如图3 5 和图3 6 所示。图中x 轴表示沿纤维轴向( x 向) 的距离，y 轴的值表示沿纤 维轴向的纤维基体界面上各点的剪应力大小。从图3 5 和图3 6 可以看出，在锥形和 球形端头纤维的平直段附近，应力值较小且变化平缓，且与普通平直纤维保持一 致，而在这些纤维的端头处剪应力都明显增加，出现剪应力集中的峰值。从计算 结果可以看出，锥形和球形端头纤维在端头处的最大剪应力明显小于普通平直纤 维的最大剪应力，并且随着纤维端头半径的增大，最大剪应力呈下降趋势。 在工程实践中，由于纤维增强复合材料的纤维端头存在剪应力集中，经常造 成纤维与基体在端头处首先出现界面脱粘，使复合材料的强度下斛3 6 】，因此，采 用具有锥形和球形端头的异形端头纤维能够较好地减小复合材料在纤维端头处的 剪应力集中，从而可以有效地避免纤维与基体在端头处发生界面脱粘现象，提高 纤维增强复合材料的强度。 3 3 2 拉力和变形关系分析 对锥形端头、球形端头和普通平直端头纤维增强的复合材料单元体沿纤维轴 向仅方向) 分别施以5 m p a 、6 m p a 、7 m p a 、8 m p a 、9 m p a 、9 5 m p a 、1 0 m p a 的拉应 力，计算出复合材料单元体的变形，得到沿拉应力作用面的拉力一变形曲线如图 3 7 所示。由图3 7 可以看出，三种不同端头纤维增强复合材料单元体的变形基本 相同，只是在接近基体塑性屈服极限( 9 5 1 0 m p a ) 时，平直端头纤维的应变突然增 大，且其应变值明显大于锥形端头和球形端头等异型纤维。这说明锥形端头和球 形端头纤维增强复合材料比普通平直端头纤维增强复合材料有更大的抵抗变形破 坏的能力。 重庆大学硕士学位论文3 异形纤维端头微结构的强韧机理分析 0 10 1 50 20 2 50 3 图3 7 拉力变形曲线 f i g3 7c u r v eo f t h es t l c s s s 拄a i nr e l a t i o n s h i p 3 4 本章小结 ， 扫描电镜观察发现金龟子外甲壳中存在锥形、球形端头纤维，针对锥形及球 形端头纤维分别建立锥形和球形端头纤维有限元模型，运用有限元分析软件分析 计算了锥形端头和球形端头纤维的剪应力及拉力一变形关系，并与普通平直端头 纤维的计算结果进行比较，得到的结论主要有： ( 1 ) 锥形和球形等端头纤维能较好地改善纤维增强复合材料的端头处 剪应力集中现象，因而可有效防止纤维与基体在端头处发生界面脱 粘现象，提高纤维增强复合材料的强韧性； ( 2 )锥形端头和球形等端头纤维能提高复合材料强度及增加复合材料 抵抗变形破坏能力。 l o 9 8 7 6 5 日自正b 重庆大学硕士学位论文4 刺状纤维强韧性分析 4 刺状纤维的强韧性分析 4 1 金龟子外甲壳中的刺状纤维微结构 扫描电镜观察发现在金龟子外甲壳中存在一种刺状纤维，即在普通直纤维的 表面凸起许多刺状微纤维，使得整根纤维像带刺的树枝一样( 图4 1 ) 。 4 2 刺纤维的解析分析 图4 1 刺状纤维 f i g4 1s p i n o i l sf i b e r 歹 孑 p 一 多 乡 垂 孑 ￥ 垂 图4 2 ( a ) 三个刺纤维模型( b ) 一个刺纤维模型 ( c ) 直纤维模型 f i g4 2 ( a ) m o d e lo f t h r e et h o r n sf i b e r ( b ) m o d e lo f at h o r n sf i b e r ( c ) m o d e lo f s t r a i g h tf i b e r 1 4 重庆大学硕士学位论文4 刺状纤维强韧性分析 本节使用解析法研究了刺纤维以下两方面的内容：( 1 ) 纤维的拨出阻力；( 2 ) 塑 性屈服极限。 对实验观察到的刺状纤维，建立一个刺状和三个刺状的纤维模型分别如图 4 2 ( a ) 、c o ) 所示，同时建立与之相比较的一般人工复合材料常用的直纤维如图4 2 ( c ) 所示。 4 - 2 1 纤维拔出力分析 在图4 2 所示模型的两端施加拉伸载荷，研究不同形状纤维对纤维拔出阻力的 影响，进而认识刺状纤维的强韧机理。基于细观复合材料力学的基本假设，分析 模型可看作是宏观均匀的，可以取部分代表性截面来研究( 如图4 3 ( a ) 、c o ) 所示) 。 图4 3 中c 、0 分别代表刺状纤维和直纤维的拔出力，表示刺状纤维中刺的高度。 图4 3 ( a ) 刺状纤维 f i g4 3c a ) p u l l o u tm o d e l ss p i n o u sf i b e r ( b ) 直纤维拔出模型 c o ) p u l l o u tm o d e l ss t r a i g h tf i b e r 假设纤维拔出时应力沿表面均匀分布，如图4 3 所示，根据力的平衡条件可分 别求得刺状纤维和直纤维的拔出力，其中刺状纤维的拔出力为： 只= ( g s i n ，+ r c o s y ) 名i n ，+ 订 ( 4 1 ) 直纤维的拔出力为： 02 r ( y + d ( 4 2 ) 式中4 为在纤维拔出过程中基体对纤维的挤压应力；f 为纤维一基体的剪应力： y 为刺纤维的升角。 由式( 4 1 ) 和式( 4 2 ) ，可得刺纤维与直纤维的拨出阻力差值为： 1 5 重庆大学硕士学位论文 4 刺状纤维强韧性分析 只一0 = q r c o s y s i n y = q r c o t z ( 4 - 3 ) 因在式( 4 3 ) 中，q 、r 大于0 ，而川、于鲁，c o t ，大于0 ，可知式( 4 3 ) 右端大 上 于0 ，这表明刺状纤维的拔出力比直纤维的拔出力大。由于纤维的拨出力密切相关 于复合材料的断裂韧性，因此，刺状纤维比直纤维增强复合材料具有更高的断裂 韧性。 4 2 2 塑性屈服极限 本节利用塑性滑移线场理论( h e n c h y 方程) 来分别求刺纤维与直纤维的塑性极