本文選題：黃刺金琥的刺 + 微結(jié)構(gòu)��； 參考：《南京航空航天大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：生物材料在億萬年的物種競(jìng)爭選擇進(jìn)化過程中,為實(shí)現(xiàn)其自身的功能與承載需要,形成了比現(xiàn)有人造復(fù)合材料更為復(fù)雜、精細(xì)和天然合理的復(fù)合微納米結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)是從納米、微米乃至宏觀進(jìn)行分級(jí)組裝的多尺度結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的完整性方面扮演著重要的角色,使材料具有高強(qiáng)高韌、輕質(zhì)、功能適應(yīng)及損傷愈合、耐彎曲、扭轉(zhuǎn)和屈曲等能力,這是目前絕大部分人工合成復(fù)合材料所不及的。這種特殊的生物解決方案為科學(xué)家和工程師設(shè)計(jì)復(fù)合材料提供一些靈感。植物刺的一個(gè)很重要的作用是抵抗捕食者,這就需要刺能夠承受高強(qiáng)度的彎曲,擠壓和扭轉(zhuǎn)。刺的力學(xué)特性獨(dú)特,結(jié)構(gòu)簡單便于仿生,研究植物的刺可作為我們獲得靈感的又一源泉。本課題以植物的三大類刺(葉刺,皮刺和枝刺)之一的葉刺(黃刺金琥的刺)為研究對(duì)象,對(duì)刺以及刺纖維的非均勻多級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)地表征和力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究;并通過分子動(dòng)力學(xué)方法初步確定植物刺的主要組成成分纖維素的力學(xué)特性的可行性,為進(jìn)一步理論揭示刺高強(qiáng)高硬的內(nèi)在機(jī)理奠定基礎(chǔ)。(1)系統(tǒng)研究了黃刺金琥刺的微結(jié)構(gòu)—力學(xué)性能關(guān)聯(lián)。利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡系統(tǒng)地研究了黃刺金琥刺的微觀結(jié)構(gòu),并利用廣角X射線衍射儀和傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)定了其成分組成。從材料學(xué)角度量化分析了黃刺金琥刺的微觀結(jié)構(gòu)、成分組成及力學(xué)特性。結(jié)果表明,黃刺金琥的刺主要由直徑5-15μm纖維細(xì)胞以及外周的硬皮細(xì)胞組成,刺無礦化現(xiàn)象,刺纖維細(xì)胞高度定向并具有較高的結(jié)晶度。納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示刺縱截面硬度比文獻(xiàn)報(bào)道的竹材的高得多,而橫截面細(xì)胞壁的硬度類似于木材、農(nóng)作物的莖稈以及竹材的硬度。刺纖維細(xì)胞壁的壓痕模量同木材、農(nóng)作物的莖稈以及竹材的處于同一數(shù)量級(jí),近似于竹材,略低于木材、和農(nóng)作物莖稈的壓痕模量。刺干燥后的拉伸強(qiáng)度約140 MPa,同文獻(xiàn)報(bào)道的竹材類似。同時(shí)發(fā)現(xiàn)新鮮的刺具有一定的韌性,而干燥的刺卻變脆。機(jī)理研究表明,黃刺金琥刺纖維細(xì)胞的高度定向排列以及高的結(jié)晶度,纖維細(xì)胞中微纖絲極低的微纖絲角以及外圍硬化的上皮細(xì)胞和內(nèi)部纖維細(xì)胞共同組成的夾心卷結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了刺的獨(dú)特力學(xué)特性。(2)深入研究了刺的纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu)—成分—力學(xué)性能關(guān)聯(lián)。離析實(shí)驗(yàn)獲得游離的刺纖維細(xì)胞,并發(fā)現(xiàn)這些刺纖維細(xì)胞長0.32-0.57 mm,直徑4.6-6.0μm,長徑比約100。X-射線衍射以及傅立葉紅外光譜分析顯示刺纖維細(xì)胞主要由I型纖維素組成,結(jié)晶度約76%。未離析的刺纖維細(xì)胞其縱截面的壓痕模量高達(dá)17 GPa,離析實(shí)驗(yàn)除去木質(zhì)素和半纖維素后的纖維細(xì)胞其壓痕模量低至0.487 GPa,該結(jié)果表明粘附劑木質(zhì)素及半纖維素對(duì)刺纖維細(xì)胞的力學(xué)特性起著至關(guān)重要的作用。木質(zhì)素把微纖絲和半纖維素膠粘在一起并通過木質(zhì)素碳水復(fù)合物固定住半纖維素。半纖維素主要由可抽出的線性分子組成,木質(zhì)素屬于三維網(wǎng)狀聚合物,它們通過無數(shù)的芳基醚鍵以及碳-碳鍵連在一起。該模型初步解釋了除去木質(zhì)素及半纖維素其力學(xué)性能大大下降的原因。(3)分子動(dòng)力學(xué)模擬了組成高等植物的I型纖維素的Iβ晶體的氫鍵、溫度—力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)。采用Reax FF-mattsson進(jìn)行了拉伸模擬獲得彈性模量(103.38-128.33 GPa)接近實(shí)驗(yàn)值(120-138 GPa)。進(jìn)而應(yīng)用Reax FF-mattsson反應(yīng)力場(chǎng)研究了水分子及溫度對(duì)纖維素纖維方向力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)水分子會(huì)增加纖維素的韌性,影響纖維素內(nèi)部的氫鍵而直接影響纖維素纖維方向(z軸方向)的力學(xué)性能,同其力學(xué)性能近乎線性關(guān)系。在一定程度上解釋了新鮮的木材以及新鮮的刺具有較高的韌性的原因。在達(dá)到相變溫度(475~500 K)前,溫度對(duì)纖維素方向的力學(xué)性能影響較小,其中300 K時(shí)彈性模量(128.33 GPa)最大,到達(dá)相變時(shí)(500 K)纖維素內(nèi)部出現(xiàn)大量的強(qiáng)氫鍵與原有共價(jià)鍵形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其力學(xué)性能發(fā)生急劇變化,彈性模量下降近乎三分之一至87.36 GPa。Reax FF反應(yīng)力場(chǎng)包含舊鍵的斷裂和新鍵的形成以及范德華力和庫侖力,因此具有其他力場(chǎng)不可比擬的優(yōu)越性。總之,黃刺金琥的刺的高強(qiáng)、高硬的力學(xué)性能主要由刺纖維較高的結(jié)晶指數(shù),以及極低的微纖絲角以及半纖維素及木質(zhì)素的交聯(lián)方式,刺纖維細(xì)胞的整齊排列以及刺纖維細(xì)胞和韌皮細(xì)胞的夾心卷結(jié)構(gòu)共同引起的。黃刺金琥刺中木質(zhì)素、半纖維素以及水分子對(duì)刺的力學(xué)性能的影響可為我們合成優(yōu)越力學(xué)性能的復(fù)合材料提供靈感。
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【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1;TB33

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1 黃鳳玲;黃刺金琥刺的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[D];南京航空航天大學(xué);2015年

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本文編號(hào)：1749325