蛇類爬行動(dòng)物腹鱗的材料特性及摩擦學(xué)行為研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)和仿生學(xué)的發(fā)展，仿生學(xué)在工程技術(shù)和微納米科學(xué)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此人們更加重視從宏觀范圍到微觀范圍內(nèi)對(duì)生物材料的形貌特征、力學(xué)性能及摩擦學(xué)行為等方面的研究。 蛇類爬行動(dòng)物腹鱗表面具有微觀非光滑特性和疏水特性，對(duì)蛇的運(yùn)動(dòng)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(xué)特性對(duì)解決不同尺度范圍內(nèi)的減粘降阻及摩擦各向異性問(wèn)題具有啟示作用。本文以緬甸蟒蛇、烏梢蛇和紅點(diǎn)錦蛇三種蛇的腹鱗為研究對(duì)象，從材料成分

2、、微觀結(jié)構(gòu)、表面性能、力學(xué)性能、宏觀和微觀摩擦學(xué)行為等方面進(jìn)行研究，建立了腹鱗表面摩擦運(yùn)動(dòng)的接觸模型，旨在了解并掌握腹鱗的材料特性和摩擦學(xué)行為，揭示腹鱗的摩擦機(jī)理，為蛇類爬行動(dòng)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(jié)論如下： 用傅立葉紅外光譜儀、分析天平、物性測(cè)試儀分別測(cè)試腹鱗的材料成分、吸濕性和拉伸力學(xué)性能。結(jié)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(fù)合結(jié)構(gòu)。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(qiáng)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(qiáng)度是干樣品的1/2左右。這項(xiàng)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(chǔ)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(jié)果表明，三種不同腹鱗表面的微觀形貌具有相似的結(jié)構(gòu)特征，即高度有序的陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以看作由微凸體、微孔、凹

4、坑以及板結(jié)構(gòu)部分周期排列而成，并可以用排間距等11個(gè)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(diǎn)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(duì)稱性棘爪結(jié)構(gòu)，而紅點(diǎn)錦蛇和烏梢蛇腹鱗表面微凸體的后向角度很小；蟒蛇腹鱗表面微凸體的密度最高，是另外兩種的1.8倍；蟒蛇和紅點(diǎn)錦蛇的板結(jié)構(gòu)部

5、分約占排間距的1/2，而烏梢蛇腹鱗表面上基本沒(méi)有板結(jié)構(gòu)部分；烏梢蛇和紅點(diǎn)錦蛇腹鱗表面凹坑的深度和直徑遠(yuǎn)大于微孔，而蟒蛇腹鱗的凹坑深度相對(duì)較??；紅點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)棲息環(huán)境及運(yùn)動(dòng)方式造成的，并與蛇種有關(guān)。 用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量腹鱗表面的水接觸角。結(jié)果表明，蛇類爬行動(dòng)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(diǎn)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(jì)研究腹鱗材料的納米力學(xué)性能。結(jié)果表明，蟒蛇和紅點(diǎn)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(xué)性

7、能均高于紅點(diǎn)錦蛇；壓入過(guò)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(xué)性能與蛇的生活環(huán)境有關(guān)。 用UMT-2摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究腹鱗表面的宏觀摩擦特性。結(jié)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(dāng)，紅點(diǎn)錦蛇的最大；干摩擦及水潤(rùn)滑時(shí)，摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小，隨滑動(dòng)速度的增加而增加；油潤(rùn)滑時(shí)，摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小，隨滑

8、動(dòng)速度的增加而減??；水潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)是干摩擦?xí)r的1.3~1.9倍，油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)是干摩擦?xí)r的0.8~2.3倍；腹鱗表面有宏觀摩擦各向異性行為，前向運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力最小，后向運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力最大，是前向運(yùn)動(dòng)時(shí)的1.3~1.5倍，側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力介于兩者之間，并接近后向運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。腹鱗滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力由表面問(wèn)粘著力、犁溝力、微凸體的機(jī)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)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(diǎn)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(guān)，摩擦力的波動(dòng)周期與微凸體的變化周期相同，但與微凸體的高度關(guān)系不大，與微凸體表面的斜率關(guān)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(shí)的摩擦力變化劇烈，是下降時(shí)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(wú)關(guān)；三種腹鱗中，蟒蛇腹鱗的摩擦系數(shù)最低，紅點(diǎn)錦蛇和烏梢蛇的基本相等。低載荷時(shí)，表面粘附力引起的摩擦