黄刺金琥刺的微结构和力学性能

发布时间：2018-04-14 12:28

本文选题：黄刺金琥的刺 + 微结构　；参考：《南京航空航天大学》2015年博士论文

【摘要】：生物材料在亿万年的物种竞争选择进化过程中,为实现其自身的功能与承载需要,形成了比现有人造复合材料更为复杂、精细和天然合理的复合微纳米结构。该复合结构是从纳米、微米乃至宏观进行分级组装的多尺度结构,该结构在实现结构和功能的完整性方面扮演着重要的角色,使材料具有高强高韧、轻质、功能适应及损伤愈合、耐弯曲、扭转和屈曲等能力,这是目前绝大部分人工合成复合材料所不及的。这种特殊的生物解决方案为科学家和工程师设计复合材料提供一些灵感。植物刺的一个很重要的作用是抵抗捕食者,这就需要刺能够承受高强度的弯曲,挤压和扭转。刺的力学特性独特,结构简单便于仿生,研究植物的刺可作为我们获得灵感的又一源泉。本课题以植物的三大类刺(叶刺,皮刺和枝刺)之一的叶刺(黄刺金琥的刺)为研究对象,对刺以及刺纤维的非均匀多级结构进行系统地表征和力学实验研究;并通过分子动力学方法初步确定植物刺的主要组成成分纤维素的力学特性的可行性,为进一步理论揭示刺高强高硬的内在机理奠定基础。(1)系统研究了黄刺金琥刺的微结构—力学性能关联。利用扫描电子显微镜和原子力显微镜系统地研究了黄刺金琥刺的微观结构,并利用广角X射线衍射仪和傅立叶变换红外光谱仪测定了其成分组成。从材料学角度量化分析了黄刺金琥刺的微观结构、成分组成及力学特性。结果表明,黄刺金琥的刺主要由直径5-15μm纤维细胞以及外周的硬皮细胞组成,刺无矿化现象,刺纤维细胞高度定向并具有较高的结晶度。纳米压痕实验结果显示刺纵截面硬度比文献报道的竹材的高得多,而横截面细胞壁的硬度类似于木材、农作物的茎秆以及竹材的硬度。刺纤维细胞壁的压痕模量同木材、农作物的茎秆以及竹材的处于同一数量级,近似于竹材,略低于木材、和农作物茎秆的压痕模量。刺干燥后的拉伸强度约140 MPa,同文献报道的竹材类似。同时发现新鲜的刺具有一定的韧性,而干燥的刺却变脆。机理研究表明,黄刺金琥刺纤维细胞的高度定向排列以及高的结晶度,纤维细胞中微纤丝极低的微纤丝角以及外围硬化的上皮细胞和内部纤维细胞共同组成的夹心卷结构导致了刺的独特力学特性。(2)深入研究了刺的纤维细胞结构—成分—力学性能关联。离析实验获得游离的刺纤维细胞,并发现这些刺纤维细胞长0.32-0.57 mm,直径4.6-6.0μm,长径比约100。X-射线衍射以及傅立叶红外光谱分析显示刺纤维细胞主要由I型纤维素组成,结晶度约76%。未离析的刺纤维细胞其纵截面的压痕模量高达17 GPa,离析实验除去木质素和半纤维素后的纤维细胞其压痕模量低至0.487 GPa,该结果表明粘附剂木质素及半纤维素对刺纤维细胞的力学特性起着至关重要的作用。木质素把微纤丝和半纤维素胶粘在一起并通过木质素碳水复合物固定住半纤维素。半纤维素主要由可抽出的线性分子组成,木质素属于三维网状聚合物,它们通过无数的芳基醚键以及碳-碳键连在一起。该模型初步解释了除去木质素及半纤维素其力学性能大大下降的原因。(3)分子动力学模拟了组成高等植物的I型纤维素的Iβ晶体的氢键、温度—力学性能的关联。采用Reax FF-mattsson进行了拉伸模拟获得弹性模量(103.38-128.33 GPa)接近实验值(120-138 GPa)。进而应用Reax FF-mattsson反应力场研究了水分子及温度对纤维素纤维方向力学性能的影响,发现水分子会增加纤维素的韧性,影响纤维素内部的氢键而直接影响纤维素纤维方向(z轴方向)的力学性能,同其力学性能近乎线性关系。在一定程度上解释了新鲜的木材以及新鲜的刺具有较高的韧性的原因。在达到相变温度(475~500 K)前,温度对纤维素方向的力学性能影响较小,其中300 K时弹性模量(128.33 GPa)最大,到达相变时(500 K)纤维素内部出现大量的强氢键与原有共价键形成网状结构,其力学性能发生急剧变化,弹性模量下降近乎三分之一至87.36 GPa。Reax FF反应力场包含旧键的断裂和新键的形成以及范德华力和库仑力,因此具有其他力场不可比拟的优越性。总之,黄刺金琥的刺的高强、高硬的力学性能主要由刺纤维较高的结晶指数,以及极低的微纤丝角以及半纤维素及木质素的交联方式,刺纤维细胞的整齐排列以及刺纤维细胞和韧皮细胞的夹心卷结构共同引起的。黄刺金琥刺中木质素、半纤维素以及水分子对刺的力学性能的影响可为我们合成优越力学性能的复合材料提供灵感。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TB33

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