克氏原螯虾头胸部外骨骼的微观结构和硬度特征

克氏原螯虾头胸部外骨骼的微观结构和硬度特征

经过数亿年的自然选择，自然界生物形成了适宜环境的特殊结构和功能，并研究了生物特性和机械变革对模拟设计非常重要。松软地面上生存的土壤动物,它们的躯体结构、器官构造及功能行为、体表形态等为地面机械及其机构或部件设计带来了新概念、新思想目前,针对农业工程仿生应用的土壤动物在中国东北地区被广泛研究,并借助工程仿生技术方法应用于东北旱田作业机具,对旱田作业机具触土部件的防粘、减阻和减磨起到了优异的效果本文研究对象克氏原螯虾(Procambarusclarkii),属节肢动物门、甲壳纲、十足目、螯虾科,多栖息于湿地、河流堤岸或水田土壤,在粘重的泥浆中活动自如,善于在土壤中掘洞,其外骨骼具有优异的减粘、降阻和减磨等特性,尤其是直接与土壤接触的头胸部更具代表性,其头胸部发达,钙化程度高,较坚硬,表面有微小凸包结构。对克氏原螯虾头胸部外骨骼的结构和力学性能进行研究,以揭示克氏原螯虾的防粘机理,为水田农机具触土部件的仿生设计提供依据。1实验方法1.1x-射线衍射分析p-q-ms克氏原螯虾(P.clarkii)试验样本(图1)采集于云南省昆明市呈贡区(102°50'E,24°251'N,1920Masl),选取体长100mm左右、体表呈暗红色的成体作为研究对象。用X射线荧光光谱仪(AxiosMAX,Panalytical公司,荷兰)和衍射仪分析试样的无机元素成分和化合物的存在形式。样本处理方法为:取下新鲜成体克氏原螯虾的头胸部外骨骼,用去离子水洗净其外表面的泥沙及其内表面的细胞组织,风干后置于45°的烤箱内烘烤12h后取出,然后用研钵磨成粉末,经200目过滤筛过滤。X射线衍射仪的射线源为CuK用场发射扫描电镜(NovaNano-SEM450,FEI公司,美国)和透射电镜(JEM-1011,日本电子)观察克氏原螯虾头胸部外骨骼表面和截面的微观结构。样本处理方法为1.2实验参数设定头胸部外骨骼重量为2.4290g,在测量硬度和弹性模量时,纳米压痕仪(NANOG200,MTS公司,美国)实验参数设置为:压入深度2200nm,压入速度10nm·s在头胸部外骨骼的正上面中和侧面中心各取1点,然后这两个点左右10mm处各取2个点,共取5个试样点(图2),用纳米压痕仪(NANOG200,MTS,USA)测量其纳米硬度及弹性模量,本实验参数设定为:压入深度2200nm,压入速度10nm·s2结果与讨论2.1防止水分散失节肢动物的骨骼位于身体外部,保护和支持内部柔软器官和防止体内水分散失。研究指出:蟹、虾甲壳主要是有由几丁质-蛋白有机基质,方解石形态的碳酸钙和非晶矿物质组成2.2凹坑、凸包结构的观察如图4所示,克氏原螯虾头胸部外骨骼表面同时观察到凹坑和凸包结构,且在这些凹坑和凸包结构的一侧分布有刚毛(见图4a和4b),图中具有刚毛的凸包、凹坑非光滑表面形态与蝼蛄等2.3表面及内表皮层结构从克氏原螯虾头胸部外骨骼的横截面可看出,其头胸部的外骨骼是由上表皮和原表皮(外表皮和内表皮)构成的(图5a)。其中在最外层的上表皮附着有一层较薄的腊质层,起到保持体内水分和与外界隔离的作用。在原表皮靠近上表皮有一层针状的钙盐沉积层,层叠堆积的螺旋夹板位于其下面共同构成了外表皮和内表皮且平行于外骨骼表层生长。脱钙处理以后在上表皮下方出现了一层空白区域,这是由于沉积在此的钙盐被溶解造成(图5b和5c)。螺旋夹板层由壳质-蛋白纤维构成,在外表皮的螺旋夹板层相对于内表皮更为质密,呈网状结构且上表面密布着孔洞(图5a和5d)。图6a和图3显示钙盐沉积层含有大量非晶矿物质和少量以方解石形态存在的碳酸钙,是主要的承受载荷、抵御外部冲击的部分,其中分布有大量微小孔道,小孔道中有壳质-蛋白纤维穿插,在螺旋夹板的孔洞里也密布着壳质-蛋白纤维,通过这些小孔和壳质,头胸部外骨骼蛋白纤维外骨骼的各层结构紧密的联系在一起,螺旋夹板层的蜂窝状结构起到缓冲和减震的作用。所以这个钙盐的沉积而且通过这些小孔道和壳质-蛋白纤维可以传输营养物质并与其他部位联系在一起(图6a和6b)。从而这种螺旋夹板层结构使克氏原螯虾头胸部外骨骼具有显著的机械性功能和各向异性特性。2.4测试过程和目克氏原螯虾头胸部外骨骼纳米力学测试得到的载荷-压痕深度变化曲线如图7所示,主要包含加载、保压和卸载三个阶段,有效的实验结果应该是加载曲线和卸载曲线不相交。测试主要由两个过程组成;由于实验环境影响和仪器自身原因产生的热漂移过程(0<h<100nm),该过程得到的实验数据不能真实地反映材料的纳米力学性能;稳定保压过程(h>100nm)。数据处理时取曲线稳定段(100~2200nm)的平均值作为该测试点的纳米力学参数值,计算得到试样硬度的平均值为0.503GPa,弹性模量的平均值为18.019GPa。2.5克氏原螯虾头胸部外骨骼的结构克氏原螯虾栖息于湿地,善于在浅水区的地表掘洞,穿行于泥浆中,其体表面经亿万年的进化,具有减粘降阻、减摩和良好的力学性能。从图3可看出克氏原螯虾的头胸部外骨骼的矿物相主要是由大量非晶矿物质组成,分布于有机质中,具有弥散强化的作用。克氏原螯虾的头胸部外骨骼由钙盐沉积层和堆叠的螺旋夹板层组成,外表皮的螺旋夹板层的厚度<内表皮,在其外观骨骼法线方向上密布有许多小孔,壳质-蛋白纤维在这些小孔里穿插以传输营养物质并把各组织紧密粘合在一起,而这种螺旋夹板层特有的蜂窝结构,同样存在于致密的骨骼、植物细胞壁中的纤维素纤维及其他天然纤维材料中如图4可知,克氏原螯虾的头胸部外骨骼的表面具有微小的凹坑和凸包结构,而且在其边缘有刚毛存在,呈现出特殊的几何非光滑表面。由于非光滑生物体表形态能减小界面接触面积,破坏水膜连续性,起到减小粘附和降低摩擦阻力效果3克氏原螯虾头胸部外骨骼的结构表征(1)克氏原螯虾的头胸部外骨骼主要由非晶矿物质组成,在250℃温度以下时处于稳定状态。在其表面存在微米级别的凹坑和微凸包,在凹坑内和微凸包一侧有刚毛,刚毛上有细微的刺凸,呈现非光滑表面。在非光滑表面上还有纳米级的沟槽形成微纳米结构。克氏原螯虾的头胸部外骨骼分为上表皮、外表皮和内表皮,其中外表皮层和内表皮层是由螺旋夹板层构成。(2)克氏原螯虾头胸部外骨骼的表面硬度和弹性模量呈