基于甲虫材料的轻质强韧耐磨仿生材料的研究

选甲虫鞘翅和脚爪等轻质高强拓扑生物材料，观测其宏观构形、微观几何拓扑和材料微结构，研究生物材料的几何拓扑、微结构规律。用纳米压痕仪测定其机械力学参数及其几何拓扑变化。用组织观测和运动分析方法研究鞘翅联接方式和机理。用FEM分析生物结构的应力、应变状况及其与构形和拓扑变化的相关性，开展仿生结构的设计。用快速成型法，激光薄膜加工等技术制备仿生结构并对其开展实验评价。创新点：系统研究甲虫鞘翅材料的微结构、机械性能并对其承载性能进行FEM分析，最终进行仿生结构的研制。开展鞘翅联接机理的分析及仿生结构设计，提出一种轻质、强韧且耐磨的仿生复合材料模型和几何拓扑设计参数。

本项目主要以生活在3种不同生活环境的甲虫（包括东方龙虱、独角仙和黑色鳃金龟）为研究对象，对其鞘翅的表面形貌、断面微结构及力学性能进行了研究和对比分析，结构表明东方龙虱鞘翅的力学性能优于其它不同种类的甲虫鞘翅，可成为结构仿生的优异对象。通过对东方龙虱鞘翅结构的分析，表明东方龙虱鞘翅是由背壁层、腹壁层和中间层构成的层叠生物复合材料，在其中间层内部分布着许多近似球形的空腔，任意相邻两空腔间有一个空心纤维束结构，形成了一种具有非贯通式空腔分布的中空轻质结构。该结构能有效减轻整个鞘翅的比重，同时鞘翅内部的球型或椭球形空腔可以减少该鞘翅在受外力的应力集中现象，提高鞘翅的强度，从而保证其性能。基于该甲虫鞘翅的结构特点，提出并设计了一种内部球形空腔间呈正六边形分布的非贯通中空型仿生结构模型。借助有限元分析软件对该仿生结构模型和其他2种常见的结构模型（贯通式中空结构和波纹结构）在压缩、拉伸、弯曲等方面进行了有限元分析和力学性能的对比研究，结果表明该仿生结构较其它2种常见的结构模型具有更优秀的抗压、抗弯能力及更高的屈服强度。对甲虫鞘翅结构进行优化设计后的非贯通空腔型仿生结构，具备轻质、高比强度等特点，呈现出优异的力学性能。该仿生结构为后续工作中研制新型仿生复合材料结构提供了研究思路。