甲蟲前翅及仿生一體化蜂窩板的力學性能研究.pdf

1、甲蟲前翅（又稱“鞘翅”）具有優(yōu)化程度高和輕質高強的特征，是輕量化材料的理想仿生對象之一，已經在國內外引起了廣泛關注。本文在回顧甲蟲前翅結構仿生應用研究和有關蜂窩板剪切及側壓力學性能方面研究進展的基礎上，首先對有關前翅結構及其力學性能研究中的質疑問題進行實證研究，確立了本研究應該采用的甲蟲前翅仿生模型;其次，通過對短切玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）的剪切性能開展試驗研究，給出不同纖維長度、含量BFRP的力學特性，為BFRP蜂窩板剪切力

2、學性能解析奠定了基礎;在此基礎上，最后實測BFRP增強的仿生完全一體化蜂窩板（FIHP）剪切和側壓力學性能。本文主要開展如下三部分(Ⅰ-Ⅲ)的研究工作:
　　第Ⅰ部分甲蟲前翅結構及其力學性能的驗證研究
　　1.甲蟲前翅結構仿生模型的確立
　　針對“與東方龍虱鞘翅的結構最為相似”的仿生結構具有更加優(yōu)異力學性能的報道，本章通過對甲蟲前翅結構的觀察及相關仿生模型的有限元對比分析，證實東方龍虱前翅小柱內部也是實芯的，且其芯層結

3、構中無橫管存在，再次驗證了東方龍虱前翅具有一般甲蟲前翅三維結構特征的事實;不論是基于空芯和實芯小柱所建立的仿生模型，仿生蜂窩板模型都比所謂的“與東方龍虱鞘翅的結構最為相似”的仿生結構具有更好的抗壓力學性能。因此，本課題采用了陳錦祥等基于甲蟲前翅結構提煉的一體化蜂窩板模型展開研究。
　　2.新鮮和干燥甲蟲前翅拉伸力學性能特征
　　針對東方龍虱新鮮和干燥前翅拉伸屈服應變“無明顯差異”的報道，本章通過對多種甲蟲前翅結構的觀察及其新

4、鮮和干燥前翅的拉伸試驗研究，探明了其拉伸力學性能特征。結果表明，不論東方龍虱還是獨角仙，新鮮和干燥前翅在拉伸破壞斷口形貌和拉伸力學性能方面存在明顯差異。兩種甲蟲新鮮前翅的斷口具有粘稠狀物質，形貌柔和，斷口處有較多纖維被拔出現象，而干燥前翅斷裂時斷口比較整齊。新鮮前翅比干燥前翅具有更好的斷裂伸長率，這是由于新鮮前翅的纖維和蛋白質含有較多水分，使羥基內部鏈容易發(fā)生相對滑移所致。首次提出了獨角仙前翅在達到極限強度前因下蒙皮先發(fā)生破壞而出現應力

5、突降現象，并考察了其發(fā)生的原因和機理。
　　通過本章的研究，除了還原真相外，既可以獲得具有小柱芯層的夾層結構拉伸力學特征，用于開發(fā)相應的一體化蜂窩板，又可以為研發(fā)具有生物活體特征的仿生材料指明研究方向。
　　第Ⅱ部分BFRP的力學特性及其應用基礎研究
　　為了獲得BFRP材料的基本屬性，進而為BFRP蜂窩板剪切力學性能解析和推廣玄武巖纖維(BF)的應用奠定基礎，該部分在改進的BFRP剪切試驗方法基礎上，重點測試了纖維長

6、度(Lf)為3，6和9mm時，BFRP板材的剪切力學性能。
　　1.BFRP的剪切試驗方法及其力學特性
　　BFRP剪切破壞的裂縫可分為主裂縫，耦合裂縫和微細裂縫三類;微細裂縫先于主裂縫萌生，源于短切纖維與樹脂基體界面的微觀滑移;指出了短切纖維體積含量(Vf)存在一個臨界值，高于臨界值后樣品通過前述的微觀滑移開始擁有剪切彈塑性性能。且纖維含量越高，其彈塑性變形能力越強;給出了纖維長度為3mm時，BFRP的剪切力學性能等基本材

7、料屬性，提出了使用3mm BF時Vf必須大于15％，且盡可能在30％或以上的推廣條件。
　　2.BFRP的剪切力學特征及其影響機理
　　1)發(fā)現在剪切荷載-位移曲線上第一個臨界載荷值均穩(wěn)定在某一固定區(qū)間內，并從纖維/基體界面的粘結狀態(tài)探明其內在原因:出現界面滑移的條件相同。2）隨著Vf增加，BFRP剪切強度、變形和能量耗散能力均隨之增加，但Lf較長時增速減慢，而Lf最短的3mm卻幾乎接近勻速增加。3）對于Lf為3mm的試樣，

8、在Vf為25％時，剪切彈模達到最大值，對于Lf為6或9mm的試件，Lf越長，剪切彈模增速越快。這是由于6和9mm試樣以纖維/基體脫膠為主，且其Vf高時容易出現纖維成束而使部分纖維/基體間粘結力減小，而Lf為3mm試樣以纖維被拔出為主要破壞模式，Vf高時將有更多還未被拔出的短纖維能繼續(xù)發(fā)揮作用，這使其變形能力顯著增加。
　　第Ⅲ部分FIHP的力學特性及其應用基礎研究
　　1.FIHP芯層結構的剪切力學性能研究
　　FIH

9、P芯層結構的剪切破壞主要是發(fā)生在芯層中面上的纖維脫粘破壞，屬于材料界面破壞，且沒有出現芯層結構與上下面板連接界面的剝離破壞，由此表明生物結構具有優(yōu)秀的整體性力學性能;本文試驗制備的FIHP尚待完善，為此提出了對纖維表面進行預處理，采用甲蟲前翅的小柱結構周圍纖維連續(xù)分布的仿生手法對蜂窩壁和封邊內的纖維鋪層結構進行優(yōu)化改進，這將為完善FIHP結構，提高其芯層結構剪切力學性能指明研究方向。
　　2.FIHP側壓力學性能試驗研究
　

10、　FIHP的側壓以無孔面板的壓縮破壞為主要特征，而且具有明顯的塑性特征，并沒有發(fā)生明顯的面板屈曲等脆性破壞;因沒有面板—芯層膠結面，FIHP沒有出現面板屈曲的破壞型式，這說明其具有整體性好的特征，同時發(fā)現Lf為9mm的FHP具有最好的剪切彈性模量和很好的塑性變形;得到了FIHP側壓承載力理論計算值。
　　本文創(chuàng)新點如下:
　　(1)證實了東方龍虱前翅小柱是實芯的，且其芯層沒有橫管存在*。通過縱橫兩個方向解剖觀察東方龍虱前翅芯

11、層結構，再次驗證了甲蟲前翅的三維結構特征;驗證了新鮮和干燥前翅拉伸力學性能存在差異，并分析了兩者存在差異的主要原因，且首次提出了獨角仙前翅在達到極限強度前因下蒙皮先發(fā)生破壞而出現應力突降現象，并從宏觀和微觀角度分別考察了其發(fā)生的原因。
　　(2)給出了Lf為3、6和9mm時，BFRP的剪切力學性能參數，發(fā)現隨著Lf和Vf的增加，BFRP的彈塑性增強。同時探明了三種剪切破壞裂縫類型與纖維分布之間的關系，以及彈塑性、剪切破壞裂縫類型與

12、短切纖維的微觀滑移存在密切關系。
　　(3)采用改進的FIHP制備方法，制備了Lf為3、6和9mm的FIHP，通過試驗和有限元分析方法探討了帶封邊的FIHP芯層結構剪切破壞形態(tài)和力學性能:剪切破壞主要是發(fā)生在芯層中面上的纖維脫粘破壞，屬于材料界面破壞，且沒有出現芯層結構與上下面板連接界面的剝離破壞，由此表明生物結構具有優(yōu)秀的整體性力學性能。
　　(4)對FIHP側壓力學性能進行了試驗研究。試驗證實FIHP的側壓以無孔面板的壓