（材料加工工程专业论文）仿生甲虫外甲壳结构GFRP层合板的设计、制备及力学性能研究.pdf

仿生甲虫外甲壳结构g f r p 层合板的设计、制备及力学性能研究 摘要 为设计优化的复合材料结构，提高复合材料的力学性能，基于结构仿生原理，研究了 甲虫外甲壳层状生物复合材料的结构特点，设计并制备了具有仿生结构的玻璃纤维环氧树 脂层合板，通过对g f r p 层合板力学性能的理论分析和测试的研究，为人造纤维增强复合 材料的结构设计提供了有益地启示。 本文主要做了以下几方面的研究： 1 针对进化时期长、前翅结构优化程度高的甲壳类昆虫外甲壳进行了微观结构的观察， 结果发现其具有类似于人造纤维增强层状复合材料的结构特点。进一步观察发现：甲虫外 甲壳层状生物复合材料具有片层厚度不均和层问纤维粗细不均的非均匀分布特征；层间铺 设角度呈现双螺旋上升的特征。这些特殊的结构为仿生g f r p 层合板的设计提供了理论依 据。 2 根据甲虫外甲壳生物复合材料的结构优化特征，基于复合材料层合板结构设计原则， 本文建立了四组不同铺设角度的仿生结构和普通结构g f r p 层合板模型，包括o o 平行铺 设、【0 0 4 5 0 s 反对称角铺设、【9 0 0 0 0 0 0 4 5 0 s 对称角铺设及仿生双螺旋角铺设；通过对 非均匀材料弹性常数的修正，采用经典层合板理论对各层合板的刚度和强度进行了计算和 分析，结果表明：仿生非均匀结构铺层方式需要和特定的铺设角度结合才能提高层合板的 拉伸刚度和强度；仿生非均匀双螺旋角铺设结构层合板的拉伸性能最优；仿生双螺旋角铺 设层合板在纵向弯曲载荷下弯扭耦合效应较其他角铺设层合板小，材料更加稳定；仿生非 均匀铺层结构能明显地提高层合板的弯曲强度，四组角铺设中非均匀结构g f r p 较均匀结 构g f r p 纵向弹性模量平均提高了1 2 5 ，横向弹性模量平均提高了9 1 ，同时材料抗剪 切破坏能力增强。 3 利用手糊成型工艺制备了仿生结构和普通结构g f r p 层合板，并对各层合板的拉伸、 弯曲、顶破性能进行了测试和分析，结果表明：具备仿生双螺旋角铺设与非均匀铺层双重 结构的g f r p 层合板具有最优的拉伸性能，拉伸强度达到1 7 2 4 5 m p a ，和理论计算相符； 仿生非均匀铺层结构层合板具有较高的弯曲强度和各向稳定性，0 0 平行铺设、【0 0 4 5 0 s 反对称角铺设、【9 0 0 0 0 0 0 4 5 0 s 对称角铺设及仿生双螺旋角铺设中非均匀结构层合板比均 匀结构层合板的弯曲强度平均分别提高了1 5 8 1 、9 1 0 、6 6 6 和2 8 6 7 ，纤维非均匀 分布铺层结构合理地布置纤维粗细疏密，实现了用较少的材料承担较大的载荷；仿生双螺 旋角铺设g f r p 层合板能承载更大的局部压缩和多向拉伸载荷，并且能有效抑制破坏裂纹 的扩展。 关键词：甲虫外甲壳；非均匀结构；双螺旋角铺层；g f r p 层合板；力学性能 i i r e s e a r c ho nb i o m i m e t i cs t r u c t u r ed e s i g n ，p r e p a r a t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fg f r p l a m i n a t e sb a s e do ne l y t r ao fb e e t l e s a b s t r a c t i no r d e rt ot h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs t r u c t u r es oa st oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o m p o s i t em a t e r i a l s ，b a s e do nt h es t r u c t u r a lb i o n i cb a s i cp r i n c i p l e ，s t u d yo nt h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb i o m a t e r i a l so fe l y t r ao fb e e t l e s ，b i o n i cd e s i g na n d p r e p a r a t i o no ft h eg l a s s f i b e d e p o x yl a m i n a t e dp l a t s t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s t i n go f t h eg f r pl a m i n a t e s ，t o p r o v i d es o m eb e n e f i c i a le n l i g h t e n m e n tf o rs t r u c t u r a ld e s i g no f m a n - m a d ef i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e do ns o m ea s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 b a s e do no b s e r v a t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ee l y t r ao fb e e t l e sw h i c hh a sa l o n g p l a y i n ge v o l u t i o na n dah i 曲l yo p t i m i z e ds t r u c t u r e ，s h o w e dt h a tt h eb i o m a t e r i a l s s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c ss i m i l a rt ot h em a n - m a d ec o m p o s i t el a m i n a t e s f u r t h e ro b s e r v a t i o ns h o w e dt h a t t h e s eb i o m a t e r i a l sh a v ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：n o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o no fl a m e l l a rt h i c k n e s s ； n o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o no fi n 钯r 1 a m i n a rf i b e rd i a m e t e r ；l a m e l l a ra n g l ep r e s e n tt h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ed u a lh e l i c a lr i s e t h e s es p e c i a ls t r u c t u r em o d a l i t yp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n g f r pl a m i n a t e s 2 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p t i m i z e ds t r u c t u r eo ft h ee l y t r ao fb e e t l e ，b a s e do nt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g np r i n c i p l eo ft h ec o m p o s i t el a m i n a t e s ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da n ds e tu pf o u r k i n d so fm o d e l i n g ，w h i c hc o n t a i nb i o n i cs t r u c t u r a lm o d e la n do r d i n a r ys t r u c t u r a lm o d e lw i t l l d i f f e r e n ta n g l e p l y , 0 0p a r a l l e ll a y i n g ， 0 。4 5 q s a n t i s y m m e t r i ca n g l el a y i n g ， 9 0 。0 。0 。4 5 。 s s y m m e t r i ca n g l el a y i n ga n dd u a lh e l i c a ll a y i n g ；c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h es t i f f n e s sa n d s t r e n g t ho fl a m i n a t e so nt h eb a s i so fc l a s s i c a ll a m i n a t i o nt h e o r ya n dc o r r e c t i o no fe n g i n e e r i n g e l a s t i c i t yc o n s t a n t so fn o n - u n i f o r mm a t e r i a l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：i ti so n l yt o g e t h e rb i o n i c n o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o ns t r u c t u r e 、析t l ls o m es p e c i a la n g l e - p l ys t r u c t u r et h a tc a ni m p r o v et h e t e n s i o ns t i f f n e s sa n ds 仃e n g t ho fl a m i n a t e s ，t h el a m i n a t e dp l a t 谢n lt h ed u a lh e l i c a lp l i e ss t r u c t u r e h a so p t i m a lt e n s i o np r o p e r t i e s ；l o n g i t u d i n a lf l e x u r a l t o r s i o n a lc o u p l i n ge f f e c to ft h ed u a lh e l i c a l p l i e si sw e a k e ra n d m o r es t a b l et h a no t h e ra n g l e - p l yl a m i n a t e s ；b i o n i cn o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o n s t r u c t u r en o to n l yc a ni m p r o v et h eb e n d i n gs t r e n g t ha n de n h a n c e dt h er e s i s t i v ea b i l i t yo fs h e a r 1 1 1 f a i l u r eo fl a m i n a t e so b v i o u s l y , b u ta l s oc a ni m p r o v et h el o n g i t u d i n a le l a s t i cm o d u l u sa n d t r a n s v e r s ee l a s t i cm o d u l u sb y12 5 a n d9 1 r e s p e c t i v e l y 3 b i o n i cs t r u c t u r ea n do r d i n a r ys t r u c t u r eg f r pl a m i n a t e sw e r ep r e p a r e db yh a n dl a y u p p r o c e s s b a s e do nt h et e s t i n ga n da n a l y s i so ft e n s i l ep r o p e r t i e s ，b e n d i n gp r o p e r t i e sa n db u r s t i n g p r o p e r t i e s o fg f r pc o m p o s i t el a m i n a t e d , i n d i c a t e dt h a t ：g f r pl a m i n a t e d p l a t 、舫t l l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed u a lh e l i c a lp l i e sa n dn o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o ns t r u c t u r eh a se x c e l l e n t t e n s i l ep r o p e r t i e s ，t h et e n s i l es t r e n g t hi s17 2 4m p a ；t h eb e n d i n gs t r e n g t ho fg f r pl a m i n a t e d p l a tw i t hn o n - u n i f o r ms t r u c t u r ei ss u p e r i o rt ot h eo t h e ro r d i n a r yg f r pl a m i n a t e s ，n o n u n i f o r m s t r u c t u r ew i t h o p a r a l l e ll a y i n g ， 0 。4 5 。 sa n t i s y m m e t r i ca n g l el a y i n g ， 9 0 。0 。0 。4 5 。 ss y m m e t r i c a n g l el a y i n ga n dd u a lh e l i c a ll a y i n gc o u l di m p r o v et h eb e n d i n gs t r e n g t hb y1 5 8 1 ，9 1 0 ，6 6 6 a n d2 8 6 7 r e s p e c t i v e l y i n h o m o g e n e o u sf i b e rp l yc a n r 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 d d e n s i t i e so ff 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 f b e a r i n gl o a d i n g ； g f r pl a m i n a t e s 、崩mt h ed u a lh e l i c a lp l i e sn o to n l yc a nu n d e r t a k em o r el o c a lc o m p r e s s i o nl o a d a n d p o l y d i r e c t i o n a lt e n s i l el o a d ，b u ta l s oc a ni n h i b i tt h ee x t e n s i o no fd a m a g ec r a c k se f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：e l y t r ao fb e e t l e s ；n o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o n ；d u a lh e l i c a lp l i e s ；g f r pl a m i n a t e s ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刁狮名产 嗍：1 年乡川峭 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名：彻件审 喻呷年多月o 日1 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：多信加 日期：7 叫月 口 妒 密 榴、)一砂 第一章绪论 1 1 引言 仿生概念古已有之，比较系统的现代仿生研究，从上世纪6 0 年代开始逐步活跃起来。 材料仿生研究则相对较晚，英文起初用b i o n i c s ，是b i ( o ) 十( e l e c t r ) o n i c s 的组合词，重点着 眼于电子系统。9 0 年代初出现b i o m i m e t i e s ，意为模仿生物，但人们往往狭义地理解 “m i m i c r y ”的含义而认为材料仿生应该尽可能接近地模仿生物材料的结构和性质，有时出 现一些不必要的争议。近年来国外出现“b i o i n s p i r e d 一词，意为“受生物启发”而研制的材 料或进行的过程。因其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受。 仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、 构效关系，进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴科学，是化学、材料学、生物学、 物理学等学科的交叉学科【l l 。近年来，一个引起广泛注意的新研究领域是复合材料仿生 的研究 2 - 4 。它涉及对生物复合材料( 也称自然复合材料) 结构及其形成过程的研究。自然界 存在许多具有优良力学性能的生物自然复合材料，如木、竹、软体动物的壳及动物的骨、 肌腱、韧带、软骨等，其组成生物自然复合材料的原始材料( 成分) 从生物多糖到各种蛋白 质、无机物和矿物质，虽然这些原始生物材料的力学性能并不很好，但是这些材料通过优 良的复合和构造，形成了具有很高强度、刚度及韧性的生物复合材料【5 1 。因此，生物材料 的仿生研究正日益成为材料科学和工程科学中重要的研究领域。 目前，仿生复合材料研究的主要内容和动向包括材料的过程仿生、材料的功能仿生 以及材料的结构仿生等。人们早已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、高压等条件下才能合成的材料，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对生物复合材料的复合特 性、功能适应性、创伤愈合性等方面的研究： ( 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合来保证的。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再生机能，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。 在众多的仿生复合材料种类中，结构仿生复合材料以其比强度和比模量高、力学性能 可以设计、抗疲劳性能良好、减震性、材料安全性好、成型工艺较简单等特点脱颖而出【6 】。 人工结构复合材料主要作为承力结构，由能承受载荷的增强体组元( 如玻璃、陶瓷、碳素、 高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等) 与能联结增强体成为整体材料同 时又起传力作用的基体组元( 如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等) 构成。结构材料通 常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材 料和水泥基复合材料等【7 1 。材料的结构仿生就是模仿生物复合材料增强骨架的结构和加工 方式。好的增强骨架结构不仅能承受多种载荷，同时也有助于在加工中稳定几何构造，因 此研究开发新型增强骨架十分必要，这正是结构仿生复合材料的研究出发点。 1 2 结构仿生复合材料的研究进展 结构仿生是研究生物体不同结构层次( 微观、细观、宏观) 的形态以获得灵感，进而对 材料、结构、系统进行仿生模拟，提高工程结构效率的一门学科。结构仿生涉及生物学、 材料学、结构设计、控制科学、空气动力学和系统工程等工程科学，属于跨学科研究领域。 近年来在贝壳珍珠层、蛛丝结构、毛竹外密内疏结构、木材的年轮结构、植物的根部网状 结构、骨骼哑铃型结构、昆虫微细结构等天然材料的结构特征及其相应的仿生材料研究取 得了很大的进展，结构仿生材料在工业与生活中的应用越来越广泛嗍。一些生物材料的组 成特征和结构如表1 1 所示。 2 表1 1 常见生物复合材料的组成和结构【9 j t a b 1 1c o m p o s i t i o n & s t r u c t u r eo fb i o m a t e r i a l s 生物材料组成典型结构特征 龟壳胶原纤维和棒状羟基磷灰石 贝壳有机蛋白质、多糖和碳酸钙 甲虫外甲壳几丁质纤维和蛋白质基体 人的大腿骨胶原纤维和羟基磷灰石粒子 象牙类羟基磷灰石和胶原纤维 羊毛角朊和非角朊物质 竹子纤维素、半纤维素和木质素 木材纤维素、半纤维素和术质素 麻纤维素、半纤维素、和果胶 棉纤维素、蜡质和非纤维素物质 麦秆和稻草纤维素、半纤维素和果胶 空心、层状、过渡层、变厚度和异形截面结构 层状、杂化和纳米结构 层状、变厚度、螺旋、网状和蜂窝结构 空心、层状、过渡层、变厚度和i 亚铃状结构 网状、螺旋、变厚度和过渡层结构 螺旋和异形截面结构 空心、层状、变厚度、螺旋和带节结构 空心、层状、变厚度、螺旋、蜂窝和网状结构 中空、异形截面和螺旋结构 中空、异形截面、层状和螺旋结构 中空、带节、变厚度和分叉结构 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) g s w a t s o n 等1 0 】利用原子力显微镜( a f m ) 研究了蝉和白蚁翅上的六角形有序微 结构阵列。这些微结构阵列之间的间隔在2 0 0 - - 一1 0 0 0 n m 之间，结构单元顶部的圆形突起 高度一般在1 5 0 3 5 0 n m 左右。实验显示间隔较小的微阵列结构对昆虫表面的光反射性能 和自清洁性能有优化作用，而间隔较大的微阵列结构则对昆虫外壳的机械强度和空气动力 学性能有优化作用。 ( 2 ) v i n c e n t 掣1 1 】贝0 对昆虫表皮的硬度、强度、韧性等方面进行了研究，并设计了具有 这些特性的仿生纤维增强复合材料的方案。 ( 3 ) s n g o r b 等1 1 2 1 通过对各种昆虫的大量实验研究证明昆虫能够在垂直的光滑表面活 动与其特殊的表皮结构有着紧密的联系，表皮的附着原理也随结构的不同而不同，常见的 附着结构大致可分为钩、锁、夹、垫、吸盘、膨胀锚、粘性分泌物、摩擦等8 种。这些对 昆虫表面结构的研究为迸一步设计开发仿生结构，制备具有类似昆虫表面结构的材料奠定 了基础。 ( 4 ) y 锄a s l l i t a 【1 3 1 等发现：在自然陶瓷复合材料骨中，贯穿纤维在骨微单元的层与层之 间桥联，按照这一精细结构特征，他们在合成树脂基多层复合材料时加入晶须，并用磁场 三l 使晶须有恰当的方向，在材料的层间形成桥联，使复合材料层面的i 型断裂韧性有大幅度 的提高。 ( 5 ) w a n g 1 4 1 等基于贝壳生物复合材料微结构的分析，研究了两种具有高断裂韧性的 s i 3 n a b n 陶瓷复合材料。 ( 6 ) k a t a y a m a b 1 等根据松质骨的微结构特点建立了蜂窝结构形式的仿生固一液复合材料 模型，并用此模型预测和分析了其压应力扩散的优化机制。 ( 7 ) 此外，s a r i k a y a 1 6 1 等研究了珍珠贝壳的精致层复合结构和力学机理，并将其用于研 究陶瓷聚合物和陶瓷金属复合材料，结果发现其断裂韧性比常规设计的复合材料提高 4 0 。g o r d o n 【1 7 1 等用复合材料柱、板和夹芯材料模仿在木细胞中发现的螺旋结构做成玻璃 纤维环氧树脂仿木复合材料，结果发现其断裂韧性也有大幅度的提高。m k r a m e r 1 8 1 仿 照海豚皮所研制的仿生海豚皮橡胶复合材料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。 1 2 2 国内研究现状 国内在生物的结构仿生方面也已开展了较多工作，主要包括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、仿一些昆虫结构的复合材料的研究等等口9 1 。结构仿生首选的生 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、草，动物的骨、牙、皮、毛、壳等。 ( 1 ) 李恒德、崔福斋1 2 0 】等对人骨的微结构和微观力学性能进行了一系列研究，包括胎 儿、儿童和成人骨的结构、性能及损伤观察与分析，在此基础上研制了生物相容性良好的 羟基磷灰石涂层及生物活性涂层，进而设计并制备了羟基磷灰石胶原纳米复合材料和 a 1 2 0 3 纤维增强树脂层状仿生复合材料，使其韧性等性能显著提高，此外他们还在生物矿 化等方面开展了工作。 ( 2 ) 黄勇【2 1 】等观察验证了多相材料的交替迭层造成裂纹无法在界面处穿透扩展而发生 转折，是珍珠层高韧性的主要原因，并以氮化硅为主制成了仿生珍珠层陶瓷复合材料，其 断裂韧性高达2 8 9 m p a ，抗弯强度达7 0 0 m p a 左右。k a p l a n 、s e l l i n g e r 和k e s s l e r 等亦有 类似的工作。 ( 3 ) 孙守金【2 2 】等根据毛竹外密内疏的结构特性用连续电镀法在碳纤维上镀f e ，n i ，制 备了镀c u f e 、c u n i 的双层碳纤维，用它们分别制备了c f c u f e 、c f c u - n i 复合材 4 料，与竹杆中纤维的体积分数f ) 相近的c f c u 复合材料相比，这种新型的复合材料的 弯曲强度和导电性能都有显著的提高。 ( 4 ) 胡巧玲例等用原位沉析法组装了仿生层状空心结构的壳聚糖髓内钉，其材壁具有 层层叠加结构。壳聚糖髓内钉特殊的层叠结构和干燥过程中发生的自增强过程使其具有 优异的力学性能，其弯曲强度高达l1 9 5 m p a ，弯曲模量为3 6 g p a 。 1 3 甲虫外甲壳结构及其仿生复合材料研究现状 1 3 1 甲虫外甲壳结构 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。昆虫通过拍动其翅翼获得空气 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，有些昆虫的翅膜厚度只有l p m 左右，然而却能经受住昆虫在飞行中产生的强大升力【2 3 1 。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。而且鞘翅目昆虫是动物界 种类最多的一个种群，约占3 1 2 4 ，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。 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 5 - - 4 0 ，蛋白质占5 0 以上，并含 有几丁质蛋白质复合物、脂类、色素、酶、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【2 5 1 。几丁质长链状分 子首先交联在一起，形成直径约2 8 n m 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 - - - 7 i n n 图1 1 昆虫外骨骼构造图 的几丁质纤维。几丁质原纤维或几丁质纤维相互平行地粘合f i g 1 1s t r u c t u r eo fb e e t l es k e l e t o n 在一起，构成一个单向的层片、多层单向层片或相同方向、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【2 6 】，呈纤维状向外伸出，向内通过毛细胞与神经轴突相连，如图 5 1 1 所示。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阳。 1 3 2 仿生甲虫外甲壳结构复合材料的研究状况 迄今为止，考虑到甲虫的多样性，对甲虫体壁( 含外骨骼) 和翅的几丁质纤维的铺层 方式仍是一个公认的尚未解决好的问题，材料是否具有自组织性也有待研究【堋。对它们 的力学行为的研究，已经有一些工作 2 9 。3 4 1 ，其中大部分是h e p b u r n 为实现他用体壁的力学 性能进行昆虫分类的设想所进行的艰苦努力。 目前国内仿生甲虫外甲壳结构复合材料的研究主要是针对其层状复合材料的层合方 式、一级细观增韧结构等的仿生，通过优化的仿生结构设计达到复合材料的节约化、智能 化、高强度高模量化等一系列优异的性能。研究的重点是甲虫外甲壳生物复合材料的层间 连接方式、层问铺层结构和层内的纤维分布和形态等。本文结合前人的研究成果，将对甲 虫外甲壳生物复合材料的铺层方式、铺层角度等作进一步深入的研究。 1 3 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 层状复合材料的研究 n e v i l l eac 3 5 j 发现甲虫外甲壳壳中的几丁质纤维( c k t i i lm i c r o f i b r i l ) 是按一种特殊的 薄片构型沉积的，并每天都产生新的生长层。在任一薄片内，所有微纤维都彼此平行且与 表面平行取向，其旋转方向在相邻薄片内不同，沿同一方向以固定角度相对旋转，结果形 成了螺旋面( h e l i c o i d a l ) ，它的材料横切面就产生了抛物线形的图形。旋转了大约1 8 0 0 的 一组薄片通常被称为薄层，其厚度取决于微纤维的直径和旋转角度。 ( 2 ) 预成型孔洞复合材料的研究 昆虫体壁存在天然形成的孔洞( p r e f o r m e dh o l e ) 、孔道( p o r ec a n a l ) 。孔道是有上皮细 胞的原生质向外伸出很多微丝形成的，直径小于l u m ，其中可能充满表皮性物质。孔道 随着表皮薄片中的几丁质微纤维的螺旋排列，因此不是规则的螺旋【3 6 1 。在各个方向上孔 道与微纤维平行，呈现扁平或似带形状，且有轴丝垂直地通过【3 7 3 钔。 针对甲壳层状复合材料中的孔洞等微结构g u n d e r s o n t 3 1 使用普通的单向预浸料复合材 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着的提高，提高强度达3 9 。预成形孔洞对 6 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。 ( 3 ) 层合方式的研究 h e p b u r n 3 9 】选用蔷薇金龟( r o s ec h a f e r ) 为研究对象，发现甲虫外甲壳是由几丁质纤 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及不同的外壳部位而 变化。一个典型的含纤维薄层的完整外壳厚2 0 0 9 m ，有一层薄的、近2 9 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 3 2 2 国内研究现状 ( 1 ) 小柱连接层状复合材料的研究 陈锦祥 4 0 郫1 等对犀金龟和锹甲虫鞘翅的微细构造进行了研究，发现犀金龟鞘翅内部为 带柱的网状构造。此种构造通常在一个蜂窝上有l 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。对小柱微细结构进一步研究发现，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且是弯曲的，小柱呈二维分布。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。 ( 2 ) 螺旋铺层层状复合材料的研究 重庆大学的陈斌等】以金龟子的外甲壳为研究对象，利用光学显微镜和扫描电子显 微镜对其细观结构进行了观察研究，探索了昆虫外甲壳细观结构和其宏观力学性能的关 系。通过扫描电子显微镜的观察发现，甲虫外壳是一种层状复合材料，埋置于蛋白质基体 中的单向几丁质纤维平行于外甲壳表面整齐排列并与蛋白质基体粘合组成薄片铺层。这些 铺层的构成形式随所在部位的不同而不同，其中最为特别的是双螺旋铺层结构和纤维绕孔 铺层结构，这两种结构与昆虫外甲壳的力学性能有直接的关系。在这一结论的基础上他们 用玻璃纤维和环氧树脂制备了仿生铺层复合材料，实验证明这种仿生铺层复合材料比常规 铺层复合材料有更高的强度和断裂韧性。本文在此基础上通过经典层合板理论进一步对层 内纤维的排布方式进行研究，并从多方面力学性能研究特殊结构与性能的关系。 7 ( 3 ) 异形纤维增强复合材料的研究 蔡长庚1 4 5 1 等考察了昆虫甲壳中纤维形态，制备出仿生异形有机短纤维增强环氧树脂 复合材料并对其光弹性能和拉伸性能作出研究。结果表明，与平直短纤维复合材料相比， 在环氧基体中加入凸端或竹节状的聚酰胺短纤维，不仅可以改变复合材料中的应力分布， 有利于纤维末端的应力传递，而且能够提高短纤维复合材料的拉伸强度。 ( 4 ) 纤维网络筋织物增强复合材料的研究 王家俊【4 6 】等根据甲虫鞘翅层内纤维的分布方式提出仿生网络筋增强体结构模型，通 过先进纺织技术制备了不同纤维粗细比网络筋分布的增强复合材料预制件，并获得国家实 用新型技术专利。通过复合材料的力学性能测试表明网络筋增强结构能有效地提高复合材 料的拉伸性能和弯曲性能。 1 4 玻璃纤维增强热固性塑料的性能与应用 玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维( 包括长纤维、布带、毡、织物等) 作为增强 材料，热固性塑料( 包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯等) 作为基体的纤维增强塑料， 俗称玻璃钢( g f r p ) 。g f r p 的特点主要有m 7 】： ( 1 ) 密度小、比强度高。密度为1 6 2 0 9 c m 3 ，比最轻的金属铝还要轻，而比强度比高级 合金钢还高； ( 2 ) 具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、有机溶剂、海水等介质中均很稳定，其中玻璃纤维 增强环氧树脂的耐腐蚀性最为突出； ( 3 ) g f r p 是一种良好的电绝缘体，电阻率和击穿电压强度都达到了电绝缘材料的标准； ( 4 ) g f r p 最大缺点是刚性差，弯曲弹性模量一般仅为0 2 x 1 0 3 g p a ，比钢材小十倍；耐热 性虽较塑料高，但低于金属和陶瓷，一般连续使用温度在3 5 0 0 c 以下。 由于g f r p 质轻、高强、耐腐蚀、能吸收撞击能、非磁性、可设计成型的自由度大， 目前在国防、航空、造船、汽车、旅游、建筑和民用等各个领域，已被广泛使用，它将以 优质塑料复合材料的品牌进入2 l 世纪。 复合材料层合板作为一种先进的结构材料，在航空航天、交通运输、建筑、机械、化 工、电力、体育运动以及军事等方面得到了广泛应用，在诸多复合材料的应用中占据了很 大的成分【4 8 - 4 9 1 ，g f r p 常做成板壳结构的形式以充分发挥其效能。g f r p 的多层、夹层和 密加筋圆柱曲板( 与圆柱壳) ，由于几何形状比较简单，容易加工成型，因而是航空、航天 和其它重要工程结构中常用的结构形式。 8 1 5 论文研究的目的和意义 1 5 1 研究的目的 ( 1 ) 从仿生学角度出发，结合前人研究成果，探明多种甲虫外甲壳的微观构造、增韧机理； ( 2 ) 理论分析仿生结构g f r p 层合板的力学增韧特点，探明具有仿生g f r p 层合板的拉伸、 弯曲性能与仿生结构之间的联系； ( 3 ) 结合理论分析结果，对材料的多种力学性能进行试验，进一步探明仿生g f r p 层合板 的力学特点，为开发出具有仿生结构的性能优异的复合材料提供一些启示。 1 5 2 研究的意义 随着现代工业的飞速发展，人类的科学技术日益进步。传统材料已很难满足人类生产 和生活的需要，尤其是在航空航天、船舶等高科技领域内。在这些领域中需要的是具有轻 质高强、高比模量、高比强度等性能的新型材料。 生物是一个神奇的工程师，它举手投足之间就能把一些极其普通的元素组合成优异性 能的精妙结构的科学艺术作品，其神妙足以令当世最杰出的材料科学家汗颜。正是生物的 这种魔术般的材料制备艺术激发了科学家的灵感，把材料科学引入到一个仿生的新世界。 生物材料的优良特性为复合材料设计展示了诱人的前景。几乎地球上所有的生物材料 都是复合材料，其中一些具有高强度和高模量，即使是由陶瓷为主组成的生物材料，其断 裂韧性也不低。与其它材料相比，生物材料的最显著特点是具有自我调节功能，就是作为 有生命的器官，生物材料能够一定程度地调节自身的物理和力学性质，以适应周围环境 5 0 l 。而且，一些生物材料具有自适应和自愈合能力，这是只有几十年历史的人造复合材 料所不能及的。因此如何从材料科学观点研究生物材料的结构和功能特点，并用以设计和 制造先进复合材料，是当前面临的重大课题。对这些生物复合材料的结构及功能的深人研 究将为我们发展新型结构和智能复合材料提供有益的启示。 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。 9 本研究从材料仿生的角度对经过亿万年进化的甲虫外甲壳微细结构进行观察研究，归 纳出其结构特征并抽象出仿生复合材料模型，从复合材料的结构力学出发，探讨具有仿生 结构复合材料的力学性能，得出一些复合材料结构设计的优化指导思想，在此基础上采用 合适的制备工艺制造出仿生复合材料，为复合材料的节约化设计、结构优化设计提供仿生 方面的指导。 1 6 研究的方法与主要内容 在材料的设计和制备工艺思想中，本课题试图把复合材料的设计原理和制备工艺与生 物材料的结构性能匹配性联系在一起，从生物材料的角度进一步探索设计的理论基础和可 行性，在总结前人研究的基础上，仿造甲虫外甲壳生物复合材料的微观结构，严格材料制 备的工艺流程，在相同的制备工艺和成型条件下，制备出具有仿生结构的复合材料和普通 复合材料，通过对仿生结构复合材料力学性能的理论和试验研究，比较仿生复合材料与普 通结构复合材料的力学性能差异，从中得到一些复合材料结构设计的优化指导思想。 1 6 1 研究的方法 ( 1 ) 通过对材料的前期刻蚀处理，利用电子显微镜、扫描电镜等观察手段对甲虫外甲壳微 结构进行观察并归纳出其力学增韧机理，建立仿生结构复合材料的模型； ( 2 ) 运用复合材料细观力学及结构力学知识对仿生结构模型进行理论计算及分析： ( 3 ) 选用合适的组分材料和制备工艺，制各仿生复合材料和一般结构复合材料。 ( 4 ) 利用电子万能实验机、电子织物顶破强力仪等对仿生结构复合材料进行一系列力学性 能测试分析。 1 6 2 研究的主要内容 本课题通过对甲虫外甲壳的微观结构进行观察分析，仿生出具有特殊结构的纤维非均 匀分布增强复合材料的模型，通过改变纤维织物的铺层方式、铺设角度达到用相同的材料 使用量提高复