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臭蜣螂(Copris ochus Motschulsky)表面纳米力学性能测试方法

佟金;孙霁宇;韩志武

  人们对天然生物材料进行了广泛的研究,包括其智能进化工程、组织结构特征、性能或功能与其结构的关系、对外部激励的响应机制及行为特征机理等,根据天然生物材料结构特征及其性能或功能,研究设计了包括纳米复合材料的多种仿生材料,已成为一个重要的研究领域。仿生材料研究的第一步是根据工程现象或技术问题,研究相关天然生物材料,探求其性能或功能与结构的关系,建立结构模型;第二步是基于天然生物材料结构,进行相应的仿生材料设计和制造。天然生物材料结构及其性能或功能相关性研究是仿生材料研究的基础。材料在微观乃至纳观尺度上的性能明显不同于在宏观尺度上。蜣螂的研究长期受到关注。蜣螂表面具有非光滑特征和疏水特性,这是一种有利于蜣螂不粘土的表面特征。水在臭蜣螂前胸背板表面上的接触角为91°—106.5°,是一种疏水表面,表明其表面是一种含有蜡质层的层状复合材料。甲虫表皮的层状复合结构在垂直方向的尺寸为微米甚或纳米量级,进行纳米尺度下的力学性能测试可望对其结构与性能或功能的关系有一个新的认识。作者介绍了纳米力学测试的基本理论,探索了利用纳米硬度计测量甲虫体表纳米力学性能的方法,获得了臭蜣螂腿节表皮的载荷-压痕深度关系曲线,发现其在纳米尺度下出现了粘弹现象和蠕变效应。……