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摘要
龟壳是由角质层和骨质层构筑而成的复合层状结构材料,具有轻质、高比强度、高韧性的优异力学性能.本文以龟壳角质层为研究对象,实验研究了角质层的多尺度微结构特征及其拉伸力学性能,主要表征了角质层的基本构元特征、界面构筑方式及角质层拉伸力学性能的影响因素.结果表明,龟壳角质层主要由微米尺度的蛋白质薄片无规则堆叠构筑,叠层厚度方向存在蛋白质桥连,面内方向由粗糙表面的薄片互相搭接;角质层具有明显的拉伸各向异性力学性能,且含水量对角质层的宏观材料特性、拉伸强度和断裂韧性具有一定的影响;薄片的拉伸断裂伴随薄片的层间拔出是角质层最终拉伸断裂的微观损伤模式.简单的有限元模型初步分析了层状结构材料的微观破坏方式,与实验结果定性一致.本文结果在进一步系统分析龟壳结构材料的多尺度力学性能及多尺度物理关联,进而提出轻质、高强韧复合结构材料的仿生优化设计方法等方面,具有一定的理论意义.
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单位爆炸科学与技术国家重点实验室; 北京理工大学
