蛇類爬行動物腹鱗的材料特性及摩擦學行為研究.pdf

1、隨著科學技術和仿生學的發(fā)展，仿生學在工程技術和微納米科學方面的應用越來越廣泛，因此人們更加重視從宏觀范圍到微觀范圍內(nèi)對生物材料的形貌特征、力學性能及摩擦學行為等方面的研究。 蛇類爬行動物腹鱗表面具有微觀非光滑特性和疏水特性，對蛇的運動起著重要作用，并具有不沾泥土、保持蛇體清潔的作用。腹鱗的這些生物學特性對解決不同尺度范圍內(nèi)的減粘降阻及摩擦各向異性問題具有啟示作用。本文以緬甸蟒蛇、烏梢蛇和紅點錦蛇三種蛇的腹鱗為研究對象，從材料成分

2、、微觀結構、表面性能、力學性能、宏觀和微觀摩擦學行為等方面進行研究，建立了腹鱗表面摩擦運動的接觸模型，旨在了解并掌握腹鱗的材料特性和摩擦學行為，揭示腹鱗的摩擦機理，為蛇類爬行動物腹部表皮的仿生制造提供依據(jù)。本論文的主要工作及結論如下： 用傅立葉紅外光譜儀、分析天平、物性測試儀分別測試腹鱗的材料成分、吸濕性和拉伸力學性能。結果表明，三種腹鱗的材料成分基本相同，是a角蛋白與B角蛋白的復合結構。腹鱗材料具有吸濕性，吸濕率在8％左右。腹

3、鱗干樣品的拉伸彈性模量為1.5 GPa左右，斷裂強度為80 MN/m2左右，蟒蛇腹鱗的彈性模量最高，烏梢蛇的最低；濕樣品的彈性模量是干樣品的1/5～1/3，斷裂強度是干樣品的1/2左右。這項研究主要在于了解腹鱗的材料特性，為腹鱗材料的摩擦特性研究及其仿生制造提供基礎資料。 用掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察腹鱗表面的微觀形貌。結果表明，三種不同腹鱗表面的微觀形貌具有相似的結構特征，即高度有序的陣列結構，該結構可以看作由微凸體、微孔、凹

4、坑以及板結構部分周期排列而成，并可以用排間距等11個參數(shù)定量描述。不同腹鱗表面上的微觀形貌也有很大差異，主要表現(xiàn)在：蟒蛇腹鱗表面上的微凸體為手指狀，其高度為200 nm左右，而紅點錦蛇和烏梢蛇的微凸體是三角形，高度為60 nm左右；蟒蛇腹鱗的微凸體具有很大的后向角度，呈現(xiàn)出一邊鋒利、一邊平緩的高度非對稱性棘爪結構，而紅點錦蛇和烏梢蛇腹鱗表面微凸體的后向角度很?。或吒棍[表面微凸體的密度最高，是另外兩種的1.8倍；蟒蛇和紅點錦蛇的板結構部

5、分約占排間距的1/2，而烏梢蛇腹鱗表面上基本沒有板結構部分；烏梢蛇和紅點錦蛇腹鱗表面凹坑的深度和直徑遠大于微孔，而蟒蛇腹鱗的凹坑深度相對較小；紅點錦蛇腹鱗表面的微孔直徑、深度及密度最大。腹鱗表面相似的微觀結構特征使其具有減粘降阻及摩擦各向異性的作用，其差異是不同蛇類為了更好地適應棲息環(huán)境及運動方式造成的，并與蛇種有關。 用接觸角測量儀測量腹鱗表面的水接觸角。結果表明，蛇類爬行動物腹鱗表面屬于疏水表面，緬甸蟒蛇腹鱗表面的水接觸角平

6、均值是110.6。，烏梢蛇的是105.8。，紅點錦蛇的是104.5。；腹鱗材料吸濕后表面的水接觸角下降2?！?。腹鱗表面的微觀形貌可以增加表面的疏水性；在微納米范圍內(nèi)，接觸角隨表面微凸體密度的增大而增大，隨微凸體高度的增加而增大。 用納米硬度計研究腹鱗材料的納米力學性能。結果表明，蟒蛇和紅點錦蛇腹鱗材料壓入彈性模量的最大值分別為1310 MPa、920 MPa，納米硬度的最大值分別為104 MPa、90 Mpa；蟒蛇腹鱗的力學性

7、能均高于紅點錦蛇；壓入過程中，腹鱗材料有蠕變，表明了腹鱗材料的粘彈性屬性。腹鱗材料的納米力學性能與蛇的生活環(huán)境有關。 用UMT-2摩擦磨損試驗機研究腹鱗表面的宏觀摩擦特性。結果表明，腹鱗表面與不銹鋼球摩擦副之間具有很低的摩擦阻力，摩擦系數(shù)為0.05-0.13，其中蟒蛇的摩擦系數(shù)最小，與聚四氟乙烯的相當，紅點錦蛇的最大；干摩擦及水潤滑時，摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小，隨滑動速度的增加而增加；油潤滑時，摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小，隨滑

8、動速度的增加而減?。凰疂櫥瑫r的摩擦系數(shù)是干摩擦時的1.3~1.9倍，油潤滑時的摩擦系數(shù)是干摩擦時的0.8~2.3倍；腹鱗表面有宏觀摩擦各向異性行為，前向運動時的摩擦阻力最小，后向運動時的摩擦阻力最大，是前向運動時的1.3~1.5倍，側向運動時的摩擦阻力介于兩者之間，并接近后向運動時的摩擦阻力。腹鱗滑動時的摩擦阻力由表面問粘著力、犁溝力、微凸體的機械變形阻力以及彈性滯后阻力組成，表面粘著力引起的阻力是摩擦力的主要部分；腹鱗表面的疏水性，減

9、小了表面能；微凸體可以破壞水膜的連續(xù)性，表面凹坑存儲的蛇體分泌液，增加了表面的疏水性，這些是腹鱗表面具有減粘降阻、減少泥土粘附的原因；腹鱗表面微觀結構的傾斜角度是造成摩擦各向異性的主要原因。 用原子力顯微鏡的LFM模式研究腹鱗表面的納米摩擦性能。結果表明，腹鱗表面具有較低的粘附力和表面粘附能，緬甸蟒蛇、紅點錦蛇、烏梢蛇腹鱗表面的粘附能分別為0.042 J/m2、0.045 J/m2和0.047J/m2；腹鱗表面的平均粘附力隨著表

10、面粗糙度的增加而減??；腹鱗表面的微觀摩擦力與表面的微觀形貌及其斜率有關，摩擦力的波動周期與微凸體的變化周期相同，但與微凸體的高度關系不大，與微凸體表面的斜率關系密切，并與微凸體的斜率分布相同；在蟒蛇腹鱗表面微凸體的邊緣處，探針上升時的摩擦力變化劇烈，是下降時的2倍多，表現(xiàn)出微觀摩擦的各向異性。腹鱗表面的摩擦力隨載荷的增加而線性增大，與速度無關；三種腹鱗中，蟒蛇腹鱗的摩擦系數(shù)最低，紅點錦蛇和烏梢蛇的基本相等。低載荷時，表面粘附力引起的摩擦