金龜子外甲殼微結(jié)構(gòu)的強韌性分析.pdf

1、自然界的生物材料幾乎都是復(fù)合材料，因此都可被稱為自然生物復(fù)合材料。自然生物復(fù)合材料經(jīng)過若干世紀的選擇進化，形成了各種優(yōu)良的微結(jié)構(gòu)，這些優(yōu)良的微結(jié)構(gòu)使自然生物復(fù)合材料具有了優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)。對自然生物復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的深入研究將給人造高性能新型復(fù)合材料研究提供有益指導(dǎo)。金龜子外甲殼是一種典型的自然生物復(fù)合材料，具有優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)。本研究首先使用掃描電鏡(SEM)觀察了金龜子外甲殼的微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其是一種由幾丁質(zhì)纖維和蛋白質(zhì)基體組成

2、的纖維增強生物復(fù)合材料，觀察也發(fā)現(xiàn)其中存在以下奇特的微結(jié)構(gòu)：(1)異形纖維端頭；(2)刺狀纖維；(3)纖維繞孔排列；(4)雙喇叭形支柱夾芯結(jié)構(gòu)；(5)纖維非均勻鋪層。對這些奇特的纖維及纖維鋪層微結(jié)構(gòu)建立簡化的微結(jié)構(gòu)模型，并利用有限元工具對這些微結(jié)構(gòu)及人造復(fù)合材料常規(guī)纖維增強結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)進行了比較分析，得到以下結(jié)論： (1)異形纖維端頭通過減小其纖維端頭與基體交界面上的剪應(yīng)力集中，較好地避免纖維與基體的脫膠，提高了材料強韌性。異

3、形纖維端頭也能夠顯著提高了復(fù)合材料的剛度。 (2)刺纖維可提高纖維的拔出阻力和復(fù)合材料的屈服極限，降低纖維-基體間的最大剪應(yīng)力，改善復(fù)合材料的強韌性； (3)纖維繞孔排列方式使得復(fù)合材料孔洞處增強纖維保留，可減小孔邊應(yīng)力集中及較好地傳遞孔邊應(yīng)力，提高了含孔復(fù)合材料的強度和剛度； (4)雙喇叭形支柱夾芯結(jié)構(gòu)可提高材料的抗壓和抗剪切能力。 (5)纖維非均勻分布鋪層通過根據(jù)外載情況合理地布置纖維粗細疏密，使得復(fù)