黑色鰓金龜鞘翅微結(jié)構(gòu)及其納米力學(xué)性能

楊志賢，劉澤華，戴振東

(1.江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，江蘇 南京 210016)

為滿足工業(yè)及航空航天發(fā)展的需求，尋找輕質(zhì)且滿足多功能需求的先進(jìn)復(fù)合材料成為新的發(fā)展和研究方向.經(jīng)過長期進(jìn)化形成的天然生物材料，因其具備優(yōu)異的性能和獨特的結(jié)構(gòu)而備受人們的關(guān)注.如，東方螻蛄前足爪趾的彈性模量為6.45 GPa，硬度為 0.21 GPa［1］;蜘蛛絲的強度為(0.8 ± 0.4)GPa［2］;蝗蟲腳爪的強度為160 ～640 MPa［3］;東方龍虱鞘翅的強度為169～195 MPa，比強度為200～220 MPa·(g·cm－3)－1［4］;獨角仙鞘翅采用了“三明治”式層合板結(jié)構(gòu)，有強的韌性和抗剝離能力［5］.

本研究以黑色鰓金龜為研究對象，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀測其鞘翅微結(jié)構(gòu)，借助納米壓痕儀測試鞘翅外表皮不同區(qū)域納米力學(xué)性能，同時對比分析2種不同環(huán)境甲蟲鞘翅的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能特性.

1 材料與方法

1.1 材 料

黑色鰓金龜(Sophrops)屬鞘翅目金龜子科(Coleoptera:Scarabaeoidea)，采自江蘇省睢丁縣，體重為(1.12±0.05)g，鞘翅長為(11 ±0.4)mm.圖 1 為黑色鰓金龜成蟲形貌.

圖1 黑色鰓金龜成蟲形貌

1.2 掃描電鏡試驗及試樣制備

鞘翅試樣取自成蟲活體.用超聲波清洗2～3 min，去除表面灰塵及雜質(zhì)顆粒;接著放入體積分?jǐn)?shù)分別為75%，85%，95%的酒精溶液中各浸泡10 min進(jìn)行脫水;最后經(jīng)液氮冷凍1 h左右，用鑷子在鞘翅觀測部位掰斷取樣，并噴金處理完成試樣制備.后期借助軟件CorelDraw對SEM照片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

1.3 納米力學(xué)性能測試

取樣前用蒸餾水清洗前用棉簽擦拭干凈，去除新鮮鞘翅表面的雜質(zhì).試樣 A，B，C，D，E和 F取自鞘翅不同區(qū)域(2 mm×2 mm)，其納米力學(xué)性能的測試在納米壓痕儀(Nano Indenter SA2，MTS，USA)上進(jìn)行，每個試樣設(shè)定8～9個點進(jìn)行重復(fù)試驗.其中，加載載荷為3 mN，加載速率為10 nm·s－1，表面接觸距離為1000 nm，壓痕深度為500 nm，熱漂移率為 0.15 nm·s－1，泊松比為 0.35.環(huán)境溫度為(27±0.5)℃，環(huán)境濕度為65%.后處理取所測試樣平均值表征該甲蟲鞘翅的納米力學(xué)性能參數(shù)值.

2 結(jié)果與討論

2.1 鞘翅斷面微結(jié)構(gòu)

鞘翅斷面可分為背壁層、腹壁層和中空層，如圖2所示.背壁層和腹壁層由直徑約90 μm“橋墩”狀纖維束柱體連接，增強鞘翅的強度和抵抗變形的能力(圖2a).鞘翅厚度為(108.08 ±17.46)μm，其中背壁層厚度(66.81±5.61)μm，中空芯層厚度為(59.29 ±10.13)μm，腹壁層厚度(8.33 ±0.71)μm，厚度比為8∶7∶1.背壁層為主要受力層，用于保護(hù)甲蟲軀體和飛行翅.

圖2 鞘翅斷面SEM圖

橋墩狀纖維束柱體由片狀纖維層采用螺旋鋪設(shè)方式連續(xù)環(huán)繞，與背壁、腹壁內(nèi)側(cè)的纖維層編織成一個整體(圖2b).片狀纖維層為許多纖維絲由平行鋪設(shè)的方式編織在一起(黑色箭頭所示)，纖維絲的直徑為(2.83±0.23)μm，部分纖維絲末端分叉(圖2c).

圖3為鞘翅斷面各微結(jié)構(gòu)構(gòu)成細(xì)節(jié).圖3a表明鞘翅斷面具有分級層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)特性，鞘翅的背壁層和腹壁層均由外表皮和內(nèi)表皮構(gòu)成.外表皮為黑色的致密層，內(nèi)表皮呈層狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)地疏松，由5～6層纖維層平行疊加鋪設(shè)而成的.圖3b中，鞘翅背壁層外表皮厚度(24.45±2.13)μm，內(nèi)表皮單層纖維層厚度(3.34±0.58)μm，纖維層間存在一定的縫隙.圖3c中，鞘翅外表皮斷面呈魚鱗狀(白色箭頭所示)，質(zhì)地致密，可有效提高其力學(xué)性能.外表皮與纖維層的接縫處存在許多直徑為(3.02±0.22)μm的小孔結(jié)構(gòu)，有利于提升其吸聲性能和隔熱效果.圖3d中，鞘翅腹壁外表皮厚度(2.27±0.17)μm，內(nèi)表皮單層纖維層厚度(0.73±0.07)μm，分別為背壁層對應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)值的1/10和1/5，纖維層間編織緊密.鞘翅內(nèi)表面附著成陣列分布的微細(xì)剛毛群，可以凈化飛行翅內(nèi)腔環(huán)境，緩沖外部壓力.

圖3 鞘翅斷面各微結(jié)構(gòu)構(gòu)成細(xì)節(jié)

圖4為鞘翅斷面結(jié)構(gòu)示意圖.

圖4 鞘翅斷面結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)是一種由背壁層、中空芯層和腹壁層構(gòu)成的中空夾芯層結(jié)構(gòu).它利用最少材料的同時，保證其功能需求.通過2種不同生活環(huán)境甲蟲鞘翅斷面微結(jié)構(gòu)的比較(東方龍虱部分為前期工作［6］)可知，黑色鰓金龜鞘翅厚度僅為東方龍虱的1/2，而其斷面占空比卻遠(yuǎn)大于東方龍虱(見表1);黑色鰓金龜鞘翅背壁層厚度遠(yuǎn)大于其腹壁層，而東方龍虱鞘翅背壁層和腹壁層的厚度相當(dāng)，體現(xiàn)了甲蟲為適應(yīng)其生活環(huán)境而優(yōu)化的程度和方向.

表1 不同生活環(huán)境中的甲蟲鞘翅斷面微結(jié)構(gòu)比較

目前常見中空輕質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)和點陣結(jié)構(gòu)等［7］，具有很好的機械性能，但其制作成本高.甲蟲鞘翅與傳統(tǒng)材料最大不同在于其具最優(yōu)化的鋪層結(jié)構(gòu)和高空隙率，在滿足其輕質(zhì)條件的同時具備許多優(yōu)良特性，為后續(xù)設(shè)計及制備新型中空輕質(zhì)型仿生結(jié)構(gòu)提供了良好的仿生學(xué)模型.

2.2 鞘翅表面形貌

宏觀下，黑色鰓金龜鞘翅表面比較光滑，試驗測得其粗糙度Ra值約為0.57 μm.微觀下，鞘翅呈現(xiàn)非光滑表面織構(gòu)，如圖5所示.

表面布滿許多規(guī)律性分布的凹坑，其直徑為(10.54±1.18)μm，相鄰兩凹坑間距為(30.44 ±4.71)μm.類似的非光滑表面，如甲蟲鞘翅、甲蟲前胸背板等，具有自清潔和減粘降阻的效果［8］，受此啟發(fā)研制的仿生非光滑犁壁、推土板等已成功用于農(nóng)業(yè)工程上［9－10］;同時這種非光滑表面呈現(xiàn)疏水性，該特性可用于儲水裝置的設(shè)計［11］.

圖5 鞘翅表面形貌

2.3 鞘翅表皮力學(xué)性能

鞘翅微結(jié)構(gòu)參數(shù)均在微、納米級別(表1所示)，常用工程材料的宏觀力學(xué)性能測試方法無法精確地獲得其力學(xué)性能.本試驗所采用的納米壓痕儀系統(tǒng)，其壓入深度通常在納米量級，最大不超過幾個微米，可用于甲蟲鞘翅力學(xué)性能的測試.試驗時壓痕深度取500 nm，遠(yuǎn)小于背壁層外表皮厚度24.45 μm，故測試結(jié)果主要反映了鞘翅外表皮的納米力學(xué)性能.圖6為鞘翅納米力學(xué)性能變化曲線圖，其中溫度為25℃，濕度為65%，泊松比為 0.35.

圖6 鞘翅納米力學(xué)性能變化曲線

圖6a主要由加載曲線和卸載曲線構(gòu)成.有效的試驗結(jié)果應(yīng)保證加載曲線和卸載曲線不相交或重合.受到試驗環(huán)境及儀器本身因素等的影響，試驗過程經(jīng)歷2個階段(圖6b，6c):熱漂移階段(h＜100 nm)和穩(wěn)定保壓階段(h＞100 nm).熱漂移階段的數(shù)據(jù)不能真實地反映出材料的納米力學(xué)性能，故后處理時，獲取穩(wěn)定保壓階段數(shù)據(jù)的平均值來表征該試樣的力學(xué)性能參數(shù)值.由圖6b，6c可知:試樣在靠近鞘翅對接縫處其參數(shù)值最大(試樣F)，硬度H=(0.62 ±0.13)GPa，彈性模量 Er=(9.50 ±1.40)GPa;鞘翅邊緣區(qū)域試樣參數(shù)值較小(試樣E)，硬度H=(0.45 ±0.08)GPa，彈性模量 Er=(8.02 ±0.82)GPa.鞘翅力學(xué)性能由鞘翅頭部至鞘翅尾部有逐漸減小趨勢，其力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性.計算得到所有測試試樣的力學(xué)性能均值如下:硬度H=(0.48±0.09)GPa，彈性模量 Er=(8.81 ±0.88)GPa，其比剛度(H/ρ)和比模量(Er/ρ)分別為600 MPa·(g·cm－3)－1和1.1 ×104MPa·(g·cm－3)－1，接觸剛度 K=(2.28 ±0.16)×104N·m－1，表明鞘翅材料有較好的抵抗變形的能力.

表2為不同生活環(huán)境中甲蟲鞘翅各試樣力學(xué)性能參數(shù)值比較.由表2可知:2種甲蟲鞘翅外邊緣區(qū)域試樣(試樣E)的力學(xué)性能均小于鞘翅其它區(qū)域.鞘翅為甲蟲的主要承受力的部件，而A，B，C和D區(qū)域是其主要的受力和抵抗變形的區(qū)域，可以預(yù)見其力學(xué)性能比較優(yōu)異;而鞘翅外邊緣區(qū)域(試樣E)主要承擔(dān)與甲蟲腹腔聯(lián)接達(dá)到密封飛行翅所處內(nèi)腔空間的目的，故對其力學(xué)性能的要求有所降低，該結(jié)果進(jìn)一步證明了甲蟲鞘翅為滿足其功能需求進(jìn)行的最優(yōu)化設(shè)計.

表2 黑色鰓金龜與東方龍虱的鞘翅納米力學(xué)參數(shù)值比較 GPa

納米壓痕儀的最大壓痕深度在10 μm左右，適合測試大部分生物材料和薄膜材料的力學(xué)性能［12］，如，甲蟲鞘翅材料.當(dāng)壓痕深度大于被測試樣外層厚度的10%時，其力學(xué)性能參數(shù)值將受到試樣內(nèi)層的影響而導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確［13］.本試驗壓深設(shè)定為500 nm，僅為外表皮厚度(24.45 μm)的2%，故其結(jié)果能真實地反映鞘翅外表皮的力學(xué)性能.

3 結(jié)論

1)SEM表明:鞘翅采用了一種由背壁層、中空芯層和腹壁層構(gòu)成的中空夾芯層結(jié)構(gòu)，在滿足鞘翅強度的同時，保證了鞘翅對輕質(zhì)的要求.鞘翅厚度為(108.08 ±17.46)μm，斷面占空比為(36.17 ±2.35)%.鞘翅呈現(xiàn)非光滑表面織構(gòu)，其粗糙度Ra約為0.57 μm.

2)鞘翅外表皮硬度為(0.48 ±0.09)GPa，彈性模量為(8.81 ±0.88)GPa，具有高的比剛度和比模量.鞘翅外表皮力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，且靠近鞘翅對接縫處最大，鞘翅外邊緣區(qū)域最小，其力學(xué)性能由鞘翅頭部至鞘翅尾部區(qū)域有逐漸減小的趨勢.

3)通過對比分析2種不同生活環(huán)境甲蟲鞘翅的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，表明甲蟲為適應(yīng)不同環(huán)境選擇了最優(yōu)化的鞘翅結(jié)構(gòu).

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