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穿山甲鳞片宏-微观力学性能表征及其耐冲击性仿真

唐伟文  
【摘要】:穿山甲作为一种古老的生物,经过亿万年的进化而完好的生存,其鳞片在穿山打洞和抵御外敌等方面表现出了十分突出性能,因而有必要对穿山甲鳞片的力学性能进行研究,了解其力学特征,并为仿生学的发展提供参考。本文通过宏观MTS测试、纳米压痕测试得到了中华穿山甲鳞片的基本力学性能,并对不同方向、不同部位以及不同分层的力学性能进行了比较;利用扫描电镜和3D激光显微镜等显微设备获取了鳞片的微结构特征,揭示了宏观力学行为;并利用有限元软件ABAQUS对穿山甲鳞片受到冲击载荷作用时的响应进行了探讨,得到了以下结论:1.穿山甲鳞片具有较好的韧性和延伸性能,泡水后鳞片的弹性模量和强度极限有所降低,延伸率大大增加,鳞片在横纵方向上的宏观力学性能相差不大;2.泡水前后的穿山甲鳞片是一种典型的粘弹塑性材料,在拉伸-卸载循环应力作用下均表现出了十分明显的棘轮效应,泡水后棘轮效应更为明显;3.穿山甲鳞片的不同部位以及同一部位的不同分层的力学性能相差不大,纳米尺度下的弹性模量高于宏观尺度下获得的弹性模量;4.穿山甲鳞片呈现出明显的分层结构,同时具有微米尺度的薄片重叠和堆垛而形成的角蛋白层状结构,该结构有助于鳞片的增韧;5.穿山甲鳞片受到正面冲击载荷作用时,其抵御冲击的能力相比于其他厚度和其他冲击角度均表现出了较好的水平,双层叠放的穿山甲鳞片抵御冲击的能力大大优于单层穿山甲鳞片。


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