黄刺金琥刺的微结构和力学性能-纳米力学专业论文.docx

万方数据 万方数据 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Aerospacing Engineering Microstructural and mechanical properties of the spines from Echinocactus grusonii cactus A Thesis in Nano Mechanics by FengLing Huang Advised by Prof. Wanlin Guo Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy Apr, 2015 承诺书 本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 (必威体育官网网址的学位论文在解密后适用本承诺书) ：作者签名 日 期： 2015/6/3 ： 南京航空航天大学博士学位论文 南京航空航天大学博士学位论文 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 5-15 μm 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 4.6-6.0 μm，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 I 黄刺金琥刺的微结构和力学性能 黄刺金琥刺的微结构和力学性能 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