牛鲨牙齿微观结构组成和摩擦磨损特性.PDF

第 33 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.33 No.5 70 2017 年 3 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2017 牛鲨牙齿微观结构组成和摩擦磨损特性 委凯琪 1,2 ，佟 金 1,2 ，张东光2,3 ，庄 健 1,2 ，马云海 1,2,4※ （1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022 ；2. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130022 ； 3. 太原理工大学机械工程学院，太原 030024 ；4. 土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京 100083 ） 摘 要：为研究牛鲨咬合力大的原因，并以牛鲨牙齿为原型设计仿生刀具，以牛鲨上颌齿和下颌齿为研究对象，利用扫 描电子显微镜观察牛鲨牙齿的微观结构，利用能谱仪测试牙齿的元素组成。采用微观摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验， 考察了牛鲨上颌齿、下颌齿的摩擦学性能，通过激光共聚焦扫描显微镜测量磨损深度，利用扫描电子显微镜观察牛鲨牙 齿的磨损形貌。试验表明：釉质层由条状纤维束形成致密的结构，本质层为多孔结构，孔径范围在 3 ～20 μm ，这些孔洞 呈不规则的排布；能谱仪测试结果中，牛鲨牙釉质比牙本质中 Ca、F 含量高，氟和钙的组合效应可以帮助其在生存环境 下有更好的耐酸性和硬度。牛鲨上下颌齿牙釉质磨斑表面有片状磨屑剥落，且有大量的细小磨粒，上颌齿磨损体积约为 7 3 7 3 1.72×10 μm ，主要是磨粒磨损；下颌齿出现明显裂纹，磨损体积约为2.11×10 μm ，比上颌齿的磨损体积大。上述结果 为新型刀具的仿生设计提供理论依据。 关键词：微观结构；摩擦；硬度；釉质；磨损 doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.010 中图分类号：TB17 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2017)-05-0070-05 委凯琪，佟 金，张东光，庄 健，马云海. 牛鲨牙齿微观结构组成和摩擦磨损特性[J]. 农业工程学报，2017，33(5)： 70－74. doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.010 Wei Kaiqi, Tong Jin, Zhang Dongguang, Zhuang Jian, Ma Yunhai. Micro-structure composition and behavior of friction and wear for bull shark teeth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 70 －74. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.010 性能等指标，试验比较了人牙和猪牙的异同点[11] 。刘国 0 引 言  林等[12-14]通过研究河狸等啮齿类动物牙齿的几何形状和 天然生物材料一般都有着完美的微观复合结构，经 力学性能，发现其表现出了优异的性能，因此提出了以 过自然选择和不断进化，已经具有适应环境的生物系统 此来设计改进切削刀具的观点。Habegger 等[15]通过对 13 和生存本领。它们多样的复合结