生物复合材料的细观结构和仿生复合材料的研究

利用扫描电镜(SEM)和光学显微镜对蝉、金龟子等昆虫的外甲壳的细观结构进行了仔细的观察研究和强韧化机理分析,并与人工合成复合材料进行比较,总结出可能对设计制造新型人工合成复合材料有益的启示。研究表明昆虫的外甲壳是一种由几丁质纤维和蛋白质(硬化或半硬化的)基体粘合形成的层状复合材料,其层合方式有同向,正交,单、双螺旋等多种形式;纤维的形状、尺寸,以及层厚和叠层数是变化的,在可能出现较大外力的地方往往具有较粗大的纤维和较多的叠层;昆虫外甲内部存在亚蜂窝状的夹芯层和形成空隙的横片和板条支撑,它们的存在使材料有较好的刚度和抗冲击韧性,同时又有较轻的重量;在昆虫的外甲壳中,从内到外存在许多用于传感和传输物质的管道和孔洞,在遇到这些管道和孔洞处,用于增强的纤维是未中断地连续绕过,这种结构形式使材料有很好的止裂能力;成排的纤维分叉出许多微纤维,这些微纤维穿过基体与相邻叠层和同层中的主纤维搭接,提高了材料的剪切强度。在观察分析的基础上,用玻璃纤维/环氧树脂制造了仿生双螺旋层合板,比较试验表明仿生双螺旋辅层层合板有较好的抗扭强度和抗断裂韧性。