蜘蛛丝拉伸变形行为的力学模型.docxVIP

Ξ蜘蛛丝拉伸变形行为的力学模型3潘志娟,李栋高(苏州大学材料工程学院,江苏苏州,215021)摘要根据大腹园蛛牵引丝力学性能的结构机理及其聚集态结构和形态结构特征,初步建立了以皮芯层结构为基础的蜘蛛丝拉伸力学模型,分析了皮芯层比例及结构对蜘蛛丝纤维力学性能的影响。以层状复合材料的拉伸变形为依据,分析了蜘蛛丝纤维的拉伸断裂过程与皮芯层性能间的关系。关键词:蜘蛛丝,拉伸变形,力学模型,皮芯层结构,聚集态结构中图法分类号:TS102.33优异的拉伸力学性能是蜘蛛丝的主要特征,笔者曾就大腹园蛛丝的拉伸机械性能及其形成机理进行了较系统的研究和分析1,本文以大腹园蛛牵引丝的形态结构和聚集态结构及其与力学性能间的关系为基础,初步建立了蜘蛛丝拉伸变形行为的力学模型,以期为仿真蜘蛛丝结构和性能的模拟与预测奠定一定的理论基础。的强度得以进一步提高。蜘蛛丝纤维的皮芯层结构也是其具有特殊力学性能的关键因素之一,由不同丝蛋白组成的皮芯层结构,使蛛丝纤维在外力作用下发生分阶段断裂,当纤维受到外力作用时,皮层和芯层先后断裂,纤维的应力应变行为是皮层和芯层的综合作用5。本文将这种结构模式作为蜘蛛丝力学分析的基础。模型建立的背景1蜘蛛牵引丝的拉伸力学模型2对大腹园蛛丝力学性能结构机理的研究表明,造成蜘蛛丝优异力学性能的因素是多方面的,虽然蜘蛛丝的基本组成单元和蚕丝相同,也为α氨基酸,但其特有的蜘蛛丝为典型的粘弹体,可用弹簧和粘壶的组合模拟其应力应变行为。根据蛛丝具有皮芯层结构,且皮层的结构稳定性比芯层好,在拉伸过程中皮层比芯层先断裂的特点5,用串联的弹簧和粘壶表示芯层的拉伸变形行为,结构参数为E1、η1,皮层在外力作用瞬间产生的急弹性变形用弹簧表示,同时作为高分子材料其粘流性特征是客观存在的,因此,在外力作用下,皮层的变形用三元件模型表示,其结构参数为E2、E3、η3,如图1所示。根据皮层和芯层在蛛丝纤维中各占一定的比例,设皮层和芯层分别由m和n个单元构成。在外力作用的瞬间,主要是弹簧E1和E2发生弹性变形,此时发生的主要是分子间键长、键角的变化。随着应力的增加,皮层和芯层分子结构的变化都较复杂,由于分子间及分子内氢键的断裂,分子链的空间状态发生变化,同时伴随有分子间的相对移动,这一阶段的变形主要为缓弹性变形。氨基酸组成和复杂的氨基酸序列,使多肽大分子链的空间结构呈现多元化的特征,蛛丝纤维的分子链构象有β折叠、α螺旋、β转角、无规卷曲等多种不同的形式2,分子链空间几何形态的多元化和经过几十年进化而成的特殊的成丝过程,使这种生体高分子纤维的聚集态结构成为由结晶区、非结晶区和准晶区构成的三相复合状态3,4。以各种空间结构存在于蜘蛛丝纤维中的多肽链段形成了刚柔结合、互相交联的结构体系。蜘蛛丝纤维获得高强度、高伸长率的原因主要在于:排列规整的β折叠链段构成的结晶区使纤维具有一定的刚性;分子排列较规整、取向度较好的准晶区在承担外力方面起了重要作用;由α螺旋、无规卷曲等构象的分子链组成的柔软的非结晶区,赋予纤维很大的伸长变形能力;大量的极性氨基酸增强了分子间的作用力,使蛛丝纤维Ξ收稿日期:200209233国家自然科学基金资助项目,编号江苏省青年科技创新人才项目资助,编号:BK200240222东华大学学报(自然科学版)第29卷图1蜘蛛牵引丝的拉伸力学模型设在外力σ作用下,蜘蛛丝产生的应变为ε,在外力作用的瞬间,主要是弹簧E1和E2的弹性变形,这时应力应变间有如下关系:微量粘性流动,则急弹性变形阶段(相当于拉伸曲线上起始部分的直线段)应力和应变间有如下关系:mσi=5+Eεi(2)2σ=(nE1+mE2)ε(1)σi与皮层比例m间呈线性正相关,随着皮层比例和刚性的增加,发生单位弹性变形所需要的外力增加,当蜘蛛丝为全皮层结构时,纤维的初始模量大,强度高,但伸长能力可能会伴随着刚性的增加而有所减小,因此皮层比例的增加对提高其韧性可能是不利的。随外力作用时间的增加,纤维逐渐形成缓弹性变形,此时的应力应变关系趋于复杂化。在外力一定的(nE1+mE2)可视作蜘蛛丝的初始模量,显然其大小与皮芯层的比例以及皮层和芯层的刚性有关。从图2所示的大腹园蛛牵引丝的断裂特征来看,皮层较芯层先断裂,并且拉伸过程中皮层发生了龟裂,因此可以推测皮层的初始模量较芯层大,设E2=2E1=E,m+n=10,若忽略初始的弹性变形阶段伴随的条件下,图1所示的力学模型中的基本应力系有:应变关σ=nσ1+mσ2ε=ε1=ε2(3)(4)σ1σ1ε1=+ηt(5)E11σ2σ2-tε2=+(1-eτ)(6)EE23图2大腹园蛛牵引丝的断口式中,ε1、ε2分别为力学模型中Maxwell单元和三元件5期潘志娟等:蜘蛛丝拉伸变形行为的力学模型23η3模型的蠕变方程式,其中τ=。E3设在一定外力作用下,皮