（纺织材料与纺织品设计专业论文）甲虫鞘翅结构仿生复合材料的应用基础研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

摘要自然界中的一些天然生物材料经过亿万年进化己具有最佳的构造。几乎所有的天然生物材料都是复合材料，不同材质、不同结构、不同功能的复合使得天然生物材料的性能远远超过单一的常规材料。甲虫是早期出现的动物之一，在它的长期进化过程中，由于适应了复杂多变的环境，其鞘翅具有了最佳的结构。本研究从甲虫会飞，全身需要轻量化，以及甲虫鞘翅位于表面，需要有足够的强度保护身体的认识出发，选用甲虫鞘翅作为仿生对象。本研究的主要内容是，从复合材料学的角度来认识甲虫鞘翅的结构，抽象出复合材料模型，然后根据模型采用合适的制备方法制备出相应的仿生复合材料。通过采用扫描电镜、透射电镜和光学显微镜以及生物超薄切片技术，对铜绿金龟、独角仙、鳃金龟、锹形虫等四种甲虫的鞘翅微细结构进行观察研究，归纳了甲虫鞘翅微细结构的特征：( 1 ) 四种甲虫的鞘翅均是以小柱为支撑的层状中空结构的双曲率板由上下两厚度不匀的层板和起支撑作用的小柱组成。( 2 ) 四种甲虫鞘翅中，小柱的分布规律是不一致的。( 3 ) 四种甲虫鞘翅的小柱呈双喇叭口的柱状结构，柱壁是成层叠就的，柱壁中的纤维沿上下喇叭口延伸，与上下层中的纤维保持连续，没有断头。( 4 ) 四种甲虫鞘翅上下层的纤维均呈层状分布，相互叠合的纤维层保持一定的角度旋转。本研究根据这些典型的结构特征，采用铜绿金龟小柱的分布规律，设计出了小柱支撑仿生复合材料模型。采用合适的复合材料制备方法制备仿生复合材料是本研究的一个关键问题。本研究对小柱支撑复合材料的手糊成型工艺做了探索和研究。选用环氧树脂和玻璃纤维作为树脂基体和增强纤维，采用熔模制备和分步制备工艺方法制造出小柱支撑复合材料。实验证明，熔模制备法是一种实用、高效的小柱支撑复合材料制备方法。通过本课题的研究，对下一步的研究方向和目标提出了构想。关键词：甲虫鞘翅，微细结构，仿生复合材料，熔模，小柱支撑塑坚墨三查堂堡主堂堡丝苎a b s t r a c tt h e s en a t u r a lm a t e r i a l sh a v e 凹d e r 9 0 n ec e n t u r i e s0 fm o d i 丘c a t i o n sl e a d i n gt o 也ec u r r e ms t m c t u r e sw h i c ha r co p t i l n i z e df o rv a r i o u sp r o p e n i e s m o s ts m l c t u r a 王m a t e r i a l sf o u n di nn 咖ea r ec o n s m l c t e di l l 也ef o mo f 锄p o s i t e t h r o u g hu m o l dc c n t u r i e so fe v o l u t i o n a r yd e v c l o p m e 咄t h eb e e t l ee l y 仃0 nh a sb e c o m eah i g h l yo p t i m i z e ss t n l c t u r cs u i t e dt oav a f i e t yo fd e m 柚d i n gd u t i e s n eo b j e c to f b i 0 i i l i n l e d 鹳j n t h i si n v e s t i g a t i o nw 舔t h eb e e t l ee l y t r o n t h ec h o i c eo f 吐怆b e e n ee l y t r o nw 鹊d u et 0i t ss n 加酵ha i l dl i g h t n e s s ，也e p i d p e r t i e sb e i n gn e c e s s a r yi no r d e rt op r o t e c ti 乜b o d y柚d f o rn i g h lt o0 b t a i nan e wi d e ao nt h eo p t i i n u md e s i 弘o ft h em a t 喇a ls t n l c t u r e s ，s e ma n di e ma r eu s e dt oi n v e s 堍a t et h e s em i c r os t n l c t u r 髂o ff o wk i n d so f b e e t l ee l y t ma n ds 0 m en e wi d 龃sa b o u tb e e t l ee l y t ms 呲t u r e sh a v ef o u n d 勰f o l l o w s ：1 t h 鹊ef o u rb e e t l ee l y t ma r eo fs a n d w i s hp l a t es m l c t i l rw i t ht h ec c n n i a lv o i dl a y e ro ft r a b e c u i t h eu p p e r 锄dl o w e rl a 1 i n 踮o ft h ee l y 缸d ni sam u i t i - l a y c r e ds t m c t i i r e m p o s i n go fc h i t i n 助c r 她dp r o t e i n n e 仃a b e c u l a eb o n d e dc h i t i l l 丘b e r1 a i i l i n a ew e r ed i s t r i b u t e di n 咖d i m e 船i o nw i t l l i nt h ec h i t i nf i b e rl a m i n ap l a i l e 2 a c c o r d i n gt ot t l ed i 舶m 吡o ft h eb e e t l et h ed i s 啊b u t i o no ft h et m b e c i l l i sd i f c b r e n t 3 t h et r a b e c i l l a eo fb e e t l ee l ”r o n 缸d u d et h ec c n t r a lp m t e i nm a t r i xp a r t 卸dt h ec y l i n d r i c a ll a y e r so ft h ec h i t i t l 丘b e r ht h ec y l i n d r i c a ll a y e 峨t h ec h i t i nf i b e 塔0 fm eu p p e r ( 0 rl o w e r ) r o o to ft h et r a b e c u l a ee x t e n d e dt ot h ee n d o c i l t i c l eo ft h eu p p e r ( 0 rl o w e r ) o ft h el 枷i n a t i o no ft h ee l y t r o n 4 t h el a m i n a ef i b e ro r i e n t a t i o n so ff o u rl 【i n d so fb e e t l ee l v t r aa r ed i f c e r e n t l a m i n 扯a r em a d e 叩o fas e r i e so fu n i d i r e c t i o n a ls h e e t so ff i b e r sa n dm a t r i 】【l 妒n gp m l l e l c ot h ee l y t r as l l r f a c ew i t hs u c c e s s i v ei a m i m a er o t a t i n gt l l r o u 曲c e r t a i n 姐d e o nt h eb a s i s0 ft h e s es t r u c t u r ec h a r a c t e r sf o u n di nt h ee l y t r a ，【h em o d e lo ft r _ a b e c u l a es a n d w i s hc o m p o s i t e si se s t a b l i s h e d i nm i sr e s e a r c hi ti sak e yq u e s t i o nt oc h o o s eaf 0 玎n i n gp r o c e s st op r o d u c et h ec m b e c u l a es a n d w i s hc o m p o s i t e s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fs t r u c t u r eb i o m i m e t i c浙江理工大学硕士学位论文m a t e d a l sa i l dt t l ep m p e n i e so f n s t i t u e n tm a t e r i a l ，a u t l l o rc h 0 0 s ee p o x yr e s i l lm a t r i xa i l d 百a s s 一丘b e ra sc o n s t i m e n tm a 矧a l s ，m a d et h es a d s f a c 【o r y 缸b e c l l l a es a i l d w i s hc o m p o s i t e sb yt l s i n gt h em e l t m o u l dw a ya n ds c p 啦t e - m a d ew a y 1 ke 印e r i l e n th a v et e s t e dt h a tt t l em e l t m o u l dp r o c e s si sa9 0 0 dw r a yt op m d u c et l l et r a b e c u l a es 锄d w i s hc o m p o s i t e f 王n a l i yi nt h i st l l e s i s ，c h ep m b l 锄s0 fr e s e a 曲锄dd i r e c t i o 璐o fr e s e a r c hi nt l l ef u t u r eh a v eb e e no u t l i n e d k e yw o r d s ：m i c r os 仃u c t u r co fb e e ee l y t r o n ，b i o m a t e r i a l sm o d e l ，m e l t m o u l dp p d c e s s ，t r a b e c i l l a es 龃d w i c h 咖p o s i t e s i l i浙江理工大学硕士学位论文第一章绪论1 1 复合材料发展概述人们通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件。从古至今，材料一直在扮演着划分时代的主角，可以说材料是人类社会进步的里程碑，整个人类社会的物质文明史也就是一部材料发展的历史，从石器时代、青铜器时代到铁器时代，就是以每个时代出现的代表性材料丽命名的。石器、青铜、铁器、用稻草和泥巴组成的复合材料，这些材料都见证了人类利用材料的渊远历史，由此也可见材料是人类文明进步的物质基础，掌握先进材料是一个国家在科技上处于领先地位的标志之一。为此国家8 6 3 和9 7 3 计划都把材料科学定为了重点发展的学科。材料的更新与进步促进了人类社会的发展，材料工业也将继续成为未来社会发展的重要组成部分，它是各项高新技术的载体，很多新的发现、发明与应用往往是通过材料制成的器件和结构表现出来。相反，现代科技也正在向材料界提出了越来越高的要求，有些要求完全超出了单一材料所能提供的性能，从而促进了人类开始对材料从依靠至9 创造的改变。因此，有人也早己提出：我们有必要进一步将现代科技的成就引入到材料研究中来1 1 1 。1 9 4 7 年r y o u n g 偶然将玻璃纤维与树脂混合在起，并冠之以“复合材料”的名称，从而开始了现代意义的复合材料增强理论及其实践0 3 。从2 0 世纪4 0 年代到6 0 年代的2 0 年是玻璃纤维增强塑料的时代称为复合材料发展的第一代。从1 9 6 0 年到1 9 8 0 年是先进复合材料的开发时期，各种高强纤维相继出现，如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，广泛用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器，这是复合材料发展的第二代。从8 0 年代开始先进复合材料得到充分的发展，这一时期是先进复合材料发展的成熟时期，还出现了一些新型功能复合材料如纳米复合材料、屏蔽复合材料、导电复合材料等“1 。现代复合材料领域中所取得的成就，使之超过了人类历史上所曾使用过的任何类型的材料，以至f 一个国家或地区的复合材科工业水平己成为衡量其科技与经济实力的标志之，复合材料是用两种或多种单一材料，用物理的或化学的疗浙江理工大学硕士学位论文法经人工复合而成的一种固体材料，它的许多性能都优于单组分材料，可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。复合材料目前已经与金属、高聚物、无机材料并列为四大材料，具有许多优良的性能，如高比强度、高比刚度、耐疲劳性好、过载性好等优点【4 1 。此外，与传统的材料相比，复合材料可设计性强、性能的可变性大。时至今日，人们已经逐渐掌握了材料的组成、结构和性能，可以按照使用要求对材料的组成和结构进行设计，从而得到预期的性能和效能。按照要求可以通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等优化设计方法进行处理，并配合以多种先进的制备技术和工艺手段，最大限度地达到预期目的；这是复合材料的一个显著特点，也是材料科学进步的一大成果。此外，复合材料具有特有的复合效应，虽然复合材料的性能对复合工艺有很强的依赖性，但是一般都具有比强度高、比模量大、阻尼减振性能好、破损安全性高、耐疲劳等优点，因而在许多领域中都取得了广泛应用 5 川。( 1 ) 机械工业中的应用复合材料在机械工业方面的应用广泛，仅就树脂基复合材料而言。就已经被广泛应用在了阀、泵、齿轮、风机、叶片和轴承等构件中。如用酚醛玻璃钢和纤维增强聚丙烯制成的阀门的使用寿命比不锈钢阀门更长，且价格便宜。铸铁泵一般重几十公斤，丽玻璃钢泵的重量仅为几公斤。( 2 ) 交通运输业中的运用在汽车工业聚合物基复合材料可用在车身、驱动轴、操纵杆底盘、引擎盖、发动机罩等部件上，北京街头出现的火箭头出租车的外壳和看似笨重的自行车的黑色车轮均为聚合物基复合材料所制。( 3 ) 在航空航天领域的应用航空航天工业则普遍利用了复合材料的重量轻、耐腐蚀、耐高温和耐摩擦性好等特点，大量用于飞机的减速板和刹车装置，宇宙飞船控制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞、x 一2 0 飞行器的鼻锥、喷嘴材料和机翼等部件上。复合材料在现代飞行器用材料中也占了较大的比重，1 9 9 7 年7 月1 日香港回归时，中国人民解放军驻港空军进驻香港驾驶的直9 型直升飞机，其使用的复合材料超过了6 0 。碳碳复舍材料的使用温度可达2 2 0 0 ，是火箭基体的理想材料，现已用于火箭发动机的喷管和烧蚀层。浙江理工大学硕士学位论文( 4 ) 在其它方面的应用利用复合材料的比高强度和比高模量，复合材料还可用于制造网球拍、高尔夫球棒、钓鱼杆、滑雪板和乐器等，氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料具有抗激光破坏的能力，特别适合于用作天线罩的结构材料。1 2 仿生材料学的发展及研究动向1 2 1 仿生材料学的提出二十世纪7 0 年代以来，先进复合材料研究一直处于材料科学和技术的前沿，但是由于先进复合材料的结构多样化而且工艺复杂，复合材料的设计在实践上十分困难。现代科学技术发展具有学科之间相互渗透、综合交叉的特点导致了一系列高新技术和高性能材料的诞生。材料科学和生物技术的交叉领域越来越受到重视，其中的仿生材料研究倍受人们注目盹人们知道，自然界的生物材料经过亿万年的自然选择和进化，形成了大量天然合理的结构和形态。所有这些均可以作为人们进行材料仿生研究时的参考。1 9 6 0 年9 月j e s t e e l e 正式提出了仿生学的概念【9 l ，它被定义为模仿生物系统的原理而建立的技术系统，或者是使人造技术系统具有类似于生物系统的特征的科学。由于当时侧重神经细胞、感知器官的研究，因此英文名取b i o ( 生物)和( e l e c t m ) n i c s 电子学的组合，为b i o i c s 。近2 0 年来，人们已成功地把木、骨和韧带的力学性能及其结构应用到聚合物和复合材料等方面。对仿生学的研究不再局限于细胞、电、磁等方面，已扩展为一个涉及面极广大的学科1 1 0 】。仿生学在材料科学中的分支就称为仿生材料学( b i o m i m e t i cm a t c r i a l ss c i e n c e ) 。1 2 2 仿生材料学的研究内容f 1 1 i从b i 叫i c s 到b i o m i m e t i c s ，其研究的范围及影响已得到充分扩展。人们发掘和接受更多的新概念和有用规律，充分利用经过亿万年进化所造就的种种优良结构形式及生化过程，学习它们高效率地利用原材料及空间的精神和能力等i 翻。目前，仿生材料学的研究内容主要包括以下几个方面：( 1 ) 结构生物材料的物理和化学分析，如骨、木、珍珠、皮肤等，以便更好地理解其结构的设计和性能。浙江理工大学硕士学位论文( z ) 直接模仿生物体进行的材料制备与开发。( 3 ) 利用生物加工技术制备材料的力学行为分析。( 4 ) 在模仿过程中受到启发，以所得到的结构、化学等新概念，进行新型合成材料的设计。( 5 ) 仿生材料和结构在新领域中的应用，如在机器人和航空结构等方面。( 6 ) 在生物结构的力学分析指导下，对现在结构设计的优化。( 7 ) 生物材料及结构在进化过程中，所用设计标准的分析。( 8 ) 模仿生物体所进行的某些系统的开发，如超灵敏机械接收器等。1 2 3 仿生材料学的研究现状m k m m e r 仿照海豚皮所研制的橡胶海豚皮在潜水装置的试验中获得成功，成为材料细观层次仿生的先驱f ”l 。卯年代，细观仿生以a m c r 的表面细观结构仿生作为代表。7 0 年代，h r h e p b u m 【1 4 l 研究昆虫体壁时，对昆虫体壁的结构与人造复合材料的细观结构作了比较。8 0 年代人们在研究多胞材料时引证了大量多胞材料图谱。9 0 年代起，美国、英国、日本等许多国家和我国的一些单位相继投入了专门力量进行仿生材料的研究。目前，仿生材料研究的主要内容和动向包括材料的结构仿生、材料的过程仿生以及材料的功能仿生等。人们早己意识到某些生物体如蜘蛛、鲍鱼等能在温和的自然环境下合成与制造出人们需要在高温、高压等条件下才自g 合成的材料。材料的过程仿生就是受此启发而进行的仿生温和制备过程。材料的功能仿生主要体现在生物传感器、生物芯片和化学力学一体化功能等方面。下面主要讲述一下材料的结构仿生。一些天然的生物材料如骨、竹子、木、贝壳等经过亿万年的自然选择进化成了与其优异的性能相适应的独特的微观结构，这些微观结构往往具有最佳的构造1 1 “。仿生复合材料是在研究生物体结构的基础上，将其结构或组成应用到复合材料研究领域而得到的。用少量或同样的原材料得到性能更好的材料是复合材料研究的主要目标之一，仿生复合材料是实现这一目标的有效途径，因此掇具吸引力，应用前景f 。泛f 1 7 1 。结构仿7 卜茸选的生物对象是生物体中起支持和保护作用的组织，或其他具有特殊力学意义的器官，如植物的木、竹、麦、孽，动物的骨、牙、皮、毛等。与4浙江理工大学硕士学位论文其他材料相比，这些天然的生物复合材料具有如下一些优良的特性嘲：( 1 ) 复合特性大多数复合材料的优良性能是通过基体、增强材料和界面的复台来保证的。植物的细胞和动物的骨骼均可视为生物材料的增强材料，增强材料的体积分数、厚度和取向等均会影响到生物材料的强度、刚度和韧性。( 2 ) 功能适应性生物材料是十分复杂的，这种复杂性是长期自然选择的结果，是由功能适应性所决定的。作为动物承载系统的主要部分，骨骼将承担任何外加载荷。骨可将高密和高强的物质置于高应力区；竹子的圆锥形中空结构、竹节对中空细长的竹杆的刚度和稳定性起着重要作用；由于树木具有负的向地性，通常生长挺直，一旦树木倾斜，偏离了正常位置，便会在高应力区产生应力木，使树干重新恢复正常位置，这些都说明天然生物材料具有某种反馈功能和自我调节的能力。( 3 ) 创伤愈合特性生物体的显著特点之一是具有荐生机能，受到损伤破坏之后能自行调节使创伤愈合。例如树木和骨的创伤愈合。材料科学工作者们试图揭示天然生物材料的结构特征和形成机理，探明材料结构与特异性能之间豹内在联系，从而应用于现代材料的设计和制备。国内在生物的结构仿生方面的工作主要包括仿树根在土壤中加固效应的分形树纤维增强效果和仿骨头结构的哑铃状晶须增强效果的研究、仿竹表皮中竹纤维的仿生螺旋增韧作用的研究等。近年来，生物科学的新发展，材料科学家和固体力学家采用更好的分析手段和更强的计算机模拟能力，使多学科共同致力于复合材料的设计有了现实条件；另一方面，今天的生物学家渴望从力学的观点对自然材料的力学行为及形成自然材料的生物工艺有所了解，固体力学家和材料科学家则面临一个新的机会和挑战，即设计具有某种细观结构的特殊性能材料并将这些设计付诸工艺。这个来自不同领域的迫切任务促成了生物、材料、力学工作者在研究自然复合材料的细观机理方面取得共识，并在仿生复合材料科学研究工作上出现了合作前景【1 8 】。1 2 4 仿生材料学研究的方法1 1 1浙江理工大学硕士学位论文_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一一生物体经过亿万年的进化，任何不能抵抗外界影响的体系都被淘汰或改良，为更好适应外界条件，生物体还会进化下去。到目前为止，可以说生物体内部结构形式设计已达到完美的程度，为人工材料设计提供了很好的参考。但是我们仿生的目的，不仅是要去模仿生物材料的结构形式，还要观察、分析生物结构现象，探索其规律，理解其实质，把它应用到现代材料及器件的设计和制备中，仿生材料学研究的方法应包括：( 1 ) 明确目标材料存在的问题；( 2 ) 在自然界寻找相关的材料体系，并研究其内部结构、性能的规律，发现其实质，直接或间接地获得灵感，启发我们的思想，建立模型并进行定量计量；( 3 ) 提出新材料模型，优化材料设计，并用模型材料验证理论材料；( 4 ) 实际制备新材料，若发现问题，进一步仿生，完善所提模型，并据此制备材料，如此反复，直到可应用于实际工程中。1 3 昆虫结构仿生复合材料国内外研究现状昆虫翅经过几亿年的进化，演变为今天设计相当巧妙的、能够适应各种特技飞行的形态，对其生活史的延续和物种的繁衍起着相当重要的作用。昆虫是通过拍动其翅冀获得空气动力使其不致下坠。昆虫的角皮是一种超级的天然复合材料。有些昆虫的翅膜其厚度只有m m 左右，然而却能经受住昆虫在飞行中产生的强大升力【1 9 1 。鞘翅目昆虫是早期出现的动物，在它的长期进化过程中，由于适应复杂多变的环境，形成了适应其环境的极优化的结构。鞘翅为这类昆虫的鞘翅，坚硬如角质，不用于飞行，主要用来保护背部和起主要飞行作用的后翅【2 0 1 。而且鞘翅目昆虫是动物界种类最多的一个种群，约占3 1 ，这意味着鞘翅目昆虫的外骨骼和鞘翅是最重要的自然结构材料，也是最主要的仿生对象。本文选用了几种鞘翅目昆虫的鞘翅作为仿生研究对象。1 3 1 甲虫鞘翅和外骨骼的组成甲虫鞘翅和外骨骼主要由几丁质纤维和蛋白质组成。几丁质是一种类似于纤维素的纤维状含氮多糖，基体主要来源于各种蛋白质和其他生物和非生物材料。几丁质和蛋白质都由碳、氢、氧、氮4 种元素组成。几丁质通常占外骨骼干重的2 弘_ 4 0 ，蛋白质占5 0 以上，并有几丁质蛋自质复合物、脂类、色素、酶、浙江理工大学硕士学位论文无机成份和水等。结构分析通常采用几丁质蛋白质两相模型【7 】。几丁质长链状分子首先交联在一起，形成直径约2 8 栅的几丁质原纤维，这些原纤维可直接被蛋白质粘合，也可被粘合成直径为2 一饥m的凡丁质纤维。几丁质原纤维或凡丁质纤维相互平行地粘合在一起，构成一个单向的层片、多层单向层片或呈相同方向、或正交、或单螺旋旋转、或双螺旋旋转、或随机地进行铺层、叠合，形成昆虫鞘翅。与人造复合结构的涂层类似，蜡和脂质存在于鞘翅的外部，形成环境屏障。外表可具有突出物或衍生物、传感器等精细结构，如作为传感器的感觉毛，呈纤维状向外伸出，向内通过毛细胞与神经轴突相连。在这种典型的复合材料中，传递信息的管道与体表垂直，传递物质的管道则或与体表垂直或螺旋状上升f 1 8 l 。图1 1 昆虫外骨骼构造1 3 2 研究现状1 3 2 1 昆虫鞘翅和外骨骼徽细结构的研究现状1 9 7 3 年m r u d a l l 和w k e n c h i n g c 叩研究指出例，构成外骨骼( 即表皮)的两个主要成份一几丁质和蛋白质一是以纤维和基体的形式复合的，几丁质通常占外骨骼千重的2 5 4 0 ，蛋白质占5 0 以上，并有几丁质蛋白质复合物、脂类、色素、酶、无机成份和水等。几丁质和蛋白质都是由碳、氢、氧、氮四种元素组成，几丁质是一种类似于纤维素的纤维状含氮多糖，基体主要来源于各种蛋白质和其他生物和非生物材料。n e v i l l e 和l u k e 对其结构分析首次采用几丁质蛋白质两相模型1 2 4 1 。1 9 8 6 年h a d l e y 把昆虫的外骨骼或表皮分为两个主要部分：外表皮和原表皮l 捌。外表皮位于表皮的最外层，由蜡质、鞣化蛋白质( 外表皮的蛋白质中不含有几丁质纤维) 和脂质组成，这0 1 到1 咄m 的厚度层对外形和强度的影响不大，但可起到一个环境屏障作用，防止昆虫受倒外界因素的干扰，类似于人造增强复合结构的保护层。原表皮是表皮的最大结构区域，厚度大约是l o 到1 0 q “m ，决定外形和机械稳定性，它由一系列薄片板或薄片层组成，这些薄片层浙江理工大学硕士学位论文沿各个方向排列形成一种不均匀对称的结构，包括横向的和纵向的。原表皮可进一步分为外原表皮和内原表皮，在外层的外原表皮蛋白质基体要经过骨化或醌鞣化，这是个使基体发生交联的不可挽回的变刚变硬的过程，近似于一个热固性树脂，不溶于水、变硬、颜色变暗；内层的内原表皮蛋白质基体不会硬化，因而更柔软、更易延伸。原表皮是由完全硬化或完全未硬化或兼予两者之间的基体组成，基体中都填埋有几丁质纤维。对昆虫外骨骼和鞘翅微细结构的研究，s t c v eg 1 】n d e i s o n 和r e b e c c as c h i a v o n e 【2 6 1 唧采用的是具角黑艳甲，挑了三个不同的部位腿、前胸背板、鞘翅进行观测。宏观结构上，腿呈中空的圆柱形状：前胸背板位于甲虫头部的后面，象一个大的弯曲的平板覆盖住前胸；鞘翅由两个不同的大的弯曲层板通过一系列称为小柱的连接物连接组成。对这些部分进一步的观测发现其结构是一个类似纤维增强的复合材料，每个部位由许多高度规整的单向性层板组成，这些层板以不同的方向平行于外表皮表面排列，每片层板由单向纤维组成，层板的厚度( 范围从1 到弘m ) 与纤维尺寸和几何形状有关，这3 个部位观察到的纤维由微纤柬组成，其尺寸和形状随层板的不同而变化，外层的层板观测到的是小的圆形的纤维，靠近里层的纤维就变成大的椭圆形的纤维。不同部位层合数目和厚度是变化的，前胸背板有最厚的横截面和最多的层板，丽鞘翅的上半部和腿部表皮的厚度和层合数目近似相同，鞘翅的下半部分的层合数最少，横断面最薄。研究中发现的最不可思议的结构是在鞘翅中观察到的小柱结构，这些硬的、垂直的突出物起到连接鞘翅上下部分的作用，可以提高刚度，同时这些小柱在鞘翅的上下两部分之间提供了更多的空间，可以认为对提高抗冲击破坏能力和减轻重量大有益处；其次，发现有无数的孔洞( 导管) ，这些导管延伸通过表皮，传导蜡质从真皮层到外表皮形成一个防水层；第三个有趣的发现是一些微纤在相邻的纤维和层板之间起一种桥联作用，这种特性有助于转移负载，增加纤维粘接于基体的表面积，增加纤维与基体之间及层板之间的撕裂强力。随后s t e v e g u n d e r s o n 和r e b e c c a s c h i a v o n e又选择外骨骼高度骨化、硬度商、鞘翅强度大、尺寸大、易捕获的蜣螂为研究对象，也发现了类似的结构。对于鞘翅、腿和前胸背板3 个部位的平均厚度是1 2 4 、9 8 、1 6 融m ，相应的层合板数耳是3 l 、1 9 、2 3 。h 印b u m 选用蔷薇金龟( m s ec h a f e r ) 为研究对象，发现甲虫外壳是由几丁浙江理工大学硕士学位论文质纤维和蛋白质基体复合而成的正交层合结构。相邻的由巨原纤组成的薄层通常彼此直角交叉，由贯穿薄层的桥联纤维连接，总的薄层数目依照昆虫的结构需要，不同的外壳部位而变化。一个典型的含纤维薄层的完整外壳厚2 0 q “m ，有一层薄的、近弘m 的防水层。纤维薄层这种独特排列的层合板粘合方式，为抗撕裂和抗裂缝传递提供了一个新颖的思路1 2 8 l 。不同的昆虫种类或同一种类由于龄期或生长环境的不同结构特性也有所不同。考虑到昆虫的多样性，对昆虫外骨骼和鞘翅的几丁质纤维铺层方式仍是一个公认的尚未解决的问题。最被广泛接受的是b o u l i g 越d 提出的螺旋模型理论【2 9 1 ，他认为节肢动物的表皮是由一系列由纤维和基体组成的平行于表面铺层的单向薄层逐一堆叠组成，这些连续的薄层通过一些连续小角度的旋转形成一种螺旋结构。n c v i l i e1 9 7 0 年在此基础上提出这些薄层中的纤维是弯曲的【3 叭。此外还有t w j i s f o g h 提出的旋毯模型、h 印b 唧提出的机织布和织物形式的十字交织形模型【3 l 】。s t e v eg 蚰d 啪和r 曲e c c as c h i a v o n e 的研究认为纤维不是单螺旋排列而是双螺旋排列。双螺旋混合着通过交替的薄层，从表皮的外层到内层以一个顺时针的方向旋转，其中腿和前胸背板相似，每7 块层板重复一次而鞘翅每9 块重复一次。2 0 世纪9 0 年代，向春庭【1 8 l 对鞘翅且昆虫鞘翅的各级结构和力学行为进行了深入研究。发现昆虫鞘翅是一个厚度不匀的双曲率壳，该壳采用夹芯的一级细观结构，芯层可采用横隔、纵隔、蜂窝、钉扎等多种夹芯形式其中蜂窝结构的相邻壁板间有纤维架空桥联；钉扎采用双喇叭结构，喇叭的壁是成层叠就的。随后，陈斌等对昆虫蝉和金龟子的外甲壳的细微结构进一步作了研究，取得了相似的结果【3 2 l 【3 3 l 。陈锦祥等对犀金龟和锹甲鞘翅的微细构造进行了研究，发现在犀金龟鞘翅内部为带柱的网状构造。此种构造通常在一个蜂窝上有1 2 根小柱，每个蜂窝上小柱根数和蜂窝的大小有关，小柱主要分布于蜂窝的角落上。对小柱微细结构迸一步研究发现，与甲虫鞘翅上下层相连的小柱，其形状和尺寸的大小因甲虫种类而异。不过，和以往认识不同的是，两种甲虫鞘翅的小柱具有类似的结构，它们均为非中空的实柱，并由中心部和环状的几丁质纤维层构成。其中心部主要是溶解于k o h 溶液的物质( 蛋白一类的物质) ，环状纤维层中的几丁质纤维，在9浙江理工大学硕士学位论文层与层之间相互不同的方向排列着，并各自与鞘翅的上下层中的几丁质纤维连续地连接着且是弯曲的，小柱呈两维分布。这种小柱构造对层状纤维增强复合材料而言，是一种非常巧妙的、可有效地提高复合材料抗剥离性能的生体构造刚口】。1 3 2 2 昆虫鞘翅和外骨骼的力学行为的研究现状构成表皮的物质糖和蛋白质缺乏结构的完整性和高温氧化的稳定性，然而，昆虫能利用这些物质以一种新奇的方式制造出高硬度、轻质量的复合材料，同时也有好的抗冲击破坏性能。h e p b u m 根据合成的位置和状态研究独立的纤维和复合的外壳的弹性和塑性，研究显示，甲虫外壳的结构是使各向异性的纤维获得优异的各向同性的性能。为研究蛋白质基体的影响将样品水解在浓氢氧化钾溶液中除去所有的蛋白质基体，留下完好的纤维。其中一些在7 0 0 c 的烘箱中干燥4 8 小时以测试水分对其机械性质的影响。通过对样品拉伸、扭转等力学测试，显示蛋白质基体在抵抗撕裂方面的作用是明显的，水分可提高几丁质纤维的塑性和延展性。在抗裂性方面，甲虫外壳的纤维结构对钝化裂缝、阻止裂缝传播是很有效的。随后h 印b 哪又对蝉坚硬外表皮的机械性质随时间的变化作了探索，发现从昆虫的一个龄期到下一个龄期其重要的生物力学性质是连贯的，并且其硬度与质量的比率也是一贯的，只有在蜕皮时期才被打断，幼虫和成虫坚硬表皮的生化天性依据腿节表皮的正切模量和极限强度进行解释，对表皮不同层合处的机械行为也作了讨论m j 。关于外表皮的硬度，j e 眦l l e r t o n 和s e r e y n o l d s 选用蝉进行了测量1 3 7 1 。硬度的测量包含复杂的变形模式。蝉的不同部位硬度相对不同，并且与测试时是否新鲜或脱水也有关。表皮产生的应变高达1 0 ，甚至更高，其机械性质是各向同性的，有复杂的塑性行为。材料的机械行为由于其粘弹性而变得更复杂。向春庭【1 8 】在测试昆虫鞘翅力学性能时发现，由于是双螺旋铺层，使其单边裂纹稳定扩展时具有富有特色的波纹状断口，并偶有裂纹分叉由于原表皮中外表皮和内表皮骨化程度不一致，断裂时分别采用脆性的和韧性的断裂方式，桥联裂纹的纤维在断纹扩展过程中沿作用方向拉直则是在自然角铺设层合板中观察到的个新现象。倪庆清、陈锦祥对犀金龟鞘翅的机械性质研究显示鞘翅有明显的非等角层合1 0浙江理工大学硕士学位论文结构和力学各向异性。断裂过程可分为两种模式，其断裂的机械行为与几丁质纤维薄层的平均层合角度有关p 6 1 。研究薄片层合结构的层间增强力学行为，负载变形曲线显示存在许多载荷高峰，其载荷峰值数等于在几丁质纤维层发现的小柱数，这表明每个小柱的断裂形成了一个负载的高峰，有助于提高层间强度。与不含小柱的几丁质纤维层合结构相比，小柱对层间抗剥离强度的提高局部可达约3 0 倍，平均可提高3 倍f 翊。1 3 2 3 昆虫鞘翅和外骨骼仿生复合材料的研究现状有关甲虫鞘翅结构仿生学材料开发的研究，大部分着眼于纤维的排列方式上，如纤维等角度排列的仿生复合材料的力学特性，带小圆孔的双重螺旋结构的仿生复合材料的损伤允许极限，带小圆孔的仿生复合材料等。在对昆虫外骨骼的研究中发现，在表皮观察到的孔洞的形状是与周围的表皮材料同时形成的从而使这些纤维保持连续性，即纤维没有断头而紧挨孔边绕过。与其相比较，增强复合材料孔洞结构是在部件做好后再钻孔或冲孔形成，从而损伤的纤维在孔洞的周边造成很大的应力集中。g i l d e r s o n 用单向预浸料使用普通的复合材料加工方法做成预成形孔洞的样品织物，用实验比较了钻孔和预成形孔洞对增强复合材料层合板的极限强度和抗破坏性能的影响。结果显示，预成形孔洞样品比钻孔样品在孔洞的区域其极限强度、抗破坏性能和硬度都有显著的提高，提高强度达3 9 。预成形孔洞对减少应力集中的作用也是明显的。它有能力在低负荷水平下阻止垂直基体裂缝通过孔洞。预成形孔洞有复杂的破坏机理，其中“孔洞拉拨”破坏模式有助于提高强度和抗破坏性能，韧性也有提高【加j 。随后，陈斌等1 3 2 】f 3 3 镰用玻璃纤维环氧树脂做成仿生双螺旋铺层复合材料层合板，进行了断裂韧性测试和4 个不同直径预成形孔洞样品的拉力测试，结果显示双螺旋结构层合板有更高的断裂韧性，预成形孔洞层合板有更高的极限强度，并且随孔洞直径的增大，极限强度的提高幅度也增大。1 4 本研究的目的、方法和内容1 4 1 本研究的意义近几年来，材料科学和生物技术的交叉领域的研究越来越受到重视，而其中浙江理工大学硕士学位论文的三大研究分枝天然生物材料、生物医用材料、仿生材料倍受人们注目i l l j 。天然生物材料经过亿万年的进化，形成了特殊的结构，具有优异的性能。天然生物材料几乎都是复合材料，不同材质、不同结构、不同功能的复合使得天然生物材料的特性远远超过单一常规材料。因此，探索天然生物材料的结构特征和形成机理，从而应用于现代材料的设计与制备意义重大。目前，仿生材料的研究无论结构材料方面还是在功能材料方面都取得了一定的成果，但由于工程实施的复杂性，许多内容还处在摸索阶段。从材料学的角度认识天然生物材料的结构和性能，进而抽象出更多的材料模型，以及根据材料模型采用合适的仿生材料制备方法是材料仿生的关键性问题。本研究从材料研究的角度对经过亿万年进化的甲虫鞘翅微细结构进行观察研究，得出一些复合材料结构设计的优化指导思想，并抽象出仿生复合材料模型，在此基础上采用合适的制备工艺制造出仿生复合材料，预期将对复合材料的设计提供直接的指导作用。1 4 2 研究目的通过解剖、分析铜绿金龟、独角仙、鳃金龟、锹形虫四种甲虫鞘翅的构造，归纳了其鞘翅的结构特征，建立相应的复合材料模型，在此基础上尽可能设计出相应的仿生复合材料。1 4 3 研究方法选择大小不同，形状不同( 如细长型和近圆形型) 的甲虫鞘翅用扫描电镜、光学电镜及透射电镜摄取鞘翅微细结构照片，通过对图像进行分析，对甲虫鞘翅的构造进行透彻的研究。采用生物超薄切片方法，切取有效的鞘翅柱子断面，用透射电镜对其切片进行观察分析，以探明鞘翅小柱的微细结构。根据对甲虫鞘翅的研究结果，建立仿生复合材料的材料结构模型，试制这种仿生复合材料试验片，为下一步设计开发实用的仿生复合材料奠定基础。1 4 4 研究内容( 1 ) 探索上述甲虫鞘翅的构造，探索甲虫的柱子的分布规律和上下层纤维的排列方式等，为开发设计新型复合材料提供理论根据。浙江理工大学硕士学位论文( 2 ) 观察、分析鞘翅中柱子的详细构造，如纤维具体空间排列情况。( 3 ) 建立甲虫鞘翅结构仿生复合材料的材料结构模型。( 4 ) 采用合适的制各方法制各甲虫鞘翅结构仿生复合材料浙江理j 大学硕士学位论文第二章甲虫鞘翅微细结构的研究昆虫是地球上最早在空中飞行的动物，也是独一无二的有翅、能飞行的无脊椎动物，翅的获得不仅扩大了昆虫活动和分布的范围，也加强了昆虫活动的速度，使昆虫在觅食、求偶、寻找产卵和越冬越夏场所以及逃避敌害等多方面获得了优越和竞争能力，是昆虫纲成为最繁荣的生物类群的重要条件【4 l 】。与鸟类的双翅是由前肢演变发展的不同，昆虫的翅膀是由胸部背板两侧成侧背叶而逐渐扩展演化形成的，生长在中胸的一对叫前翅，生长在后胸的一对叫后翅。它的翅膜是由两层极薄的膜质表皮合并而成，同时在夹层中还布满许多气管，翅面在气管部分加厚就形成翅脉，对加固翅的强度有很大作用，很像是两层薄纸夹着支棍的风筝构造。大多数昆虫的翅为胶质而透明，但演化过程中，翅的形态、发达程度，质地和表面的覆盖物等发生了种种适应性的变化f 4 2 】。翅是昆虫分类的主要依据，大致可分为8 种类型。其中鞘翅目( c o 纽啦据r 口j是昆虫纲中的第一大目，有3 5 万种以上，占昆虫总数的4 0 ，我国记载的就有7 0 0 0 余种。这个类群的前翅角质化，坚硬，无翅脉，鞘翅因此而得名。它们的外骨骼发达，身体坚硬，体型的变化甚大，并且适应性很强；除海洋外，陆地、空中和各种水域均有分布，尤以陆生种类最多。有的寄生于其他昆虫的体内，有的寄生于哺乳动物的体外，有的在动物粪便、尸体、枯枝落叶或土壤中生活，也有的寄居在鸟类或鼠类的巢穴中，或寄居于某些社会性昆虫( 如蚁类或蜂类) 的巢内，还有的是仓库害虫。其食性报复杂，包括腐食性、粪食性、尸食性、植食性、捕食性和寄生性等。植食性的种类有很多是农林业的重要害虫。捕食性的种类中，有很多是对人类有益的，如瓢虫科、步甲科和虎甲科等。有些具有医药价值【4 2 】。甲虫是鞘翅目昆虫的统称，其中不少种类体型较大，色彩华丽而壮实漂亮。其鞘翅骨化程度较高，看不到翅脉，有光泽、角质化、坚硬。静止时合拢予胸腹部背面，相遇成一直线，对虫体和折起的后翅起保护作用，如同覆盖在身上的一层坚硬的甲胄，所以鞘翅目昆虫也被称为甲虫。休息时鞘翅置于胸、腹部背面，盖住后翅。后翅膜质，宽大、具有少数脉纹，柔软，平时褶放在鞘翅下。是飞翔的主要器官，也有一些进化为无后翅的类型【4 3 1 。鞘翅目分2 5 个亚目，常见的蜣螂科、鳃角金龟科、丽金龟科、花金龟科、1 4浙江理工大学硕士学位论文独角仙科( 犀金龟科) 、锹甲科等属于多食亚目中( p d o 咖唧) 的金龟总科( 口r 口6 口出口) ，常见的鞘翅目昆虫有天牛、金龟子、瓢虫等i “。在甲虫的长期进化过程中，由于适应了复杂多变的环境，鞘翅形成了适应其生存的优化结构，是重要的自然结构材料，也是主要的仿生研究对象之一。本研究选用了鞘翅目昆虫中的铜绿金龟、独角仙、鳃金龟、锹形虫为研究对象，用扫描电镜、透射电镜及光学显微镜对其结构进行观察，期望发现其内部结构的规律，探索复合材料优化设计思想。2 1 铜绿金龟2 1 1 实验材料金龟子是鞘翅目昆虫中一个大的类群，成虫触角呈鳃片状，体色多样，常有金属光泽，分为很多种类，如鳃金龟、臂金龟、丽金龟等。本实验对象采用的是铜绿金龟( 山缸c d 伊m 蛔扭胍廊h 脚j ，如图2 1 ，采自于浙江省天目山。铜绿金龟成虫体长1 8 2 1 m m ，体色铜绿色，有光泽；鞘翅草绿色，各边翅上有纵脊纹3 条：前胸背板和鞘翅边缘黄绿色；触角和足黄褐色：腹部深褐色，属鞘翅目、金龟甲总科。铜绿金龟成虫每年6 1 8 月出现，多为昼伏夜出，有一定趋光性，可采用灯光诱捕，捕捉来的标本用无水酒精浸泡，备用。图2 1 金龟子成虫和观测坐标2 1 2 实验设备试验设备采用的是浙江大学微生物测试中心的n i k o ne s e m 2 7 0 0 ( 2 0 k v4 2 0 p ao r4 6 0 p a ) 和s e ms - 5 1 0 ( 1 5 l 、离子溅射仪2 1 0 实验方法和步骤浙江理工大学硕士学位论文( 1 ) 取样从铜绿金龟躯体上剥离鞘翅，按图2 1 所示的坐标位置，在x 、y 轴垂直的方向切下若干个断面。( 2 ) 清洗常用的清洗液有生理盐水、蒸馏水和各种缓冲液等，根据样品的性质，本实验选用了9 5 的酒精。将取好的铜绿金龟样品在9 5 的酒精中清洗两次，再置于滤纸上晾干。( 3 ) 粘贴样品用抛光膏擦净样品台后再用棉签醮丙酮擦净样品台上的抛光膏，晾干各用。用牙签将少量导电银胶涂到样品台上，胶面应小于样品台底面，用