甲虫前翅(又称“鞘翅”)具有优化程度高和轻质高强的特征,是轻量化材料的理想仿生对象之一,已经在国内外引起了广泛关注。本文在回顾甲虫前翅结构仿生应用研究和有关蜂窝板剪切及侧压力学性能方面研究进展的基础上,首先对有关前翅结构及其力学性能研究中的质疑问题进行实证研究,确立了本研究应该采用的甲虫前翅仿生模型;其次,通过对短切玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)的剪切性能开展试验研究,给出不同纤维长度、含量BFRP的力学特性,为BFRP蜂窝板剪切力学性能解析奠定了基础;在此基础上,最后实测BFRP增强的仿生完全一体化蜂窝板(FIHP)剪切和侧压力学性能。本文主要开展如下三部分(Ⅰ-Ⅲ)的研究工作:第I部分甲虫前翅结构及其力学性能的验证研究1.甲虫前翅结构仿生模型的确立针对“与东方龙虱鞘翅的结构最为相似”的仿生结构具有更加优异力学性能的报道,本章通过对甲虫前翅结构的观察及相关仿生模型的有限元对比分析,证实东方龙虱前翅小柱内部也是实芯的,且其芯层结构中无横管存在,再次验证了东方龙虱前翅具有一般甲虫前翅三维结构特征的事实;不论是基于空芯和实芯小柱所建立的仿生模型,仿生蜂窝板模型都比所谓的“与东方龙虱鞘翅的结构最为相似”的仿生结构具有更好的抗压力学性能。因此,本课题采用了陈锦祥等基于甲虫前翅结构提炼的一体化蜂窝板模型展开研究。2.新鲜和干燥甲虫前翅拉伸力学性能特征针对东方龙虱新鲜和干燥前翅拉伸屈服应变“无明显差异”的报道,本章通过对多种甲虫前翅结构的观察及其新鲜和干燥前翅的拉伸试验研究,探明了其拉伸力学性能特征。结果表明,不论东方龙虱还是独角仙,新鲜和干燥前翅在拉伸破坏断口形貌和拉伸力学性能方面存在明显差异。两种甲虫新鲜前翅的断口具有粘稠状物质,形貌柔和,断口处有较多纤维被拔出现象,而干燥前翅断裂时断口比较整齐。新鲜前翅比干燥前翅具有更好的断裂伸长率,这是由于新鲜前翅的纤维和蛋白质含有较多水分,使羟基内部链容易发生相对滑移所致。首次提出了独角仙前翅在达到极限强度前因下蒙皮先发生破坏而出现应力突降现象,并考察了其发生的原因和机理。通过本章的研究,除了还原真相外,既可以获得具有小柱芯层的夹层结构拉伸力学特征,用于开发相应的一体化蜂窝板,又可以为研发具有生物活体特征的仿生材料指明研究方向。第II部分BFRP的力学特性及其应用基础研究为了获得BFRP材料的基本属性,进而为BFRP蜂窝板剪切力学性能解析和推广玄武岩纤维(BF)的应用奠定基础,该部分在改进的BFRP剪切试验方法基础上,重点测试了纤维长度(Lf)为3, 6和9mm时,BFRP板材的剪切力学性能。1. BFRP的剪切试验方法及其力学特性BFRP剪切破坏的裂缝可分为主裂缝,耦合裂缝和微细裂缝三类;微细裂缝先于主裂缝萌生,源于短切纤维与树脂基体界面的微观滑移;指出了短切纤维体积含量(Vf)存在一个临界值,高于临界值后样品通过前述的微观滑移开始拥有剪切弹塑性性能。且纤维含量越高,其弹塑性变形能力越强;给出了纤维长度为3mm时,BFRP的剪切力学性能等基本材料属性,提出了使用3mm BF时Vf必须大于15%,且尽可能在30%或以上的推广条件。2. BFRP的剪切力学特征及其影响机理1)发现在剪切荷载-位移曲线上第一个临界载荷值均稳定在某一固定区间内,并从纤维/基体界面的粘结状态探明其内在原因:出现界面滑移的条件相同。2)随着Vf增加,BFRP剪切强度、变形和能量耗散能力均随之增加,但Lf较长时增速减慢,而Lf最短的3 mm却几乎接近匀速增加。3)对于Lf为3 mm的试样,在Vf为25%时,剪切弹模达到最大值,对于Lf为6或9mm的试件,Lf越长,剪切弹模增速越快。这是由于6和9 mm试样以纤维/基体脱胶为主,且其Vf高时容易出现纤维成束而使部分纤维/基体间粘结力减小,而Lf为3mm试样以纤维被拔出为主要破坏模式,Vf高时将有更多还未被拔出的短纤维能继续发挥作用,这使其变形能力显著增加。第III部分FIHP的力学特性及其应用基础研究1. FIHP芯层结构的剪切力学性能研究FIHP芯层结构的剪切破坏主要是发生在芯层中面上的纤维脱粘破坏,属于材料界面破坏,且没有出现芯层结构与上下面板连接界面的剥离破坏,由此表明生物结构具有优秀的整体性力学性能;本文试验制备的FIHP尚待完善,为此提出了对纤维表面进行预处理,采用甲虫前翅的小柱结构周围纤维连续分布的仿生手法对蜂窝壁和封边内的纤维铺层结构进行优化改进,这将为完善FIHP结构,提高其芯层结构剪切力学性能指明研究方向。2. FIHP侧压力学性能试验研究FIHP的侧压以无孔面板的压缩破坏为主要特征,而且具有明显的塑性特征,并没有发生明显的面板屈曲等脆性破坏;因没有面板—芯层胶结面,FIHP没有出现面板屈曲的破坏型式,这说明其具有整体性好的特征,同时发现Lf为9 mm的FIHP具有最好的剪切弹性模量和很好的塑性变形;得到了 FIHP侧压承载力理论计算值。本文创新点如下:(1)证实了东方龙虱前翅小柱是实芯的,且其芯层没有横管存在。通过纵横两个方向解剖观察东方龙虱前翅芯层结构,再次验证了甲虫前翅的三维结构特征;验证了新鲜和干燥前翅拉伸力学性能存在差异,并分析了两者存在差异的主要原因,且首次提出了独角仙前翅在达到极限强度前因下蒙皮先发生破坏而出现应力突降现象,并从宏观和微观角度分别考察了其发生的原因。(2)给出了 Lf为3、6和9 mm时,BFRP的剪切力学性能参数,发现随着Lf和Vf的增加,BFRP的弹塑性增强。同时探明了三种剪切破坏裂缝类型与纤维分布之间的关系,以及弹塑性、剪切破坏裂缝类型与短切纤维的微观滑移存在密切关系。(3)采用改进的FIHP制备方法,制备了 Lf为3、6和9mm的FIHP,通过试验和有限元分析方法探讨了带封边的FIHP芯层结构剪切破坏形态和力学性能:剪切破坏主要是发生在芯层中面上的纤维脱粘破坏,属于材料界面破坏,且没有出现芯层结构与上下面板连接界面的剥离破坏,由此表明生物结构具有优秀的整体性力学性能。(4)对FIHP侧压力学性能进行了试验研究。试验证实FIHP的侧压以无孔面板的压缩破坏为主要特征,而且具有明显的塑性特征,并没有发生明显的面板屈曲等脆性破坏。且因没有面板-芯层胶结面,FIHP没有出现面板屈曲的破坏型式,这说明其具有整体性好的特征,同时发现Lf为9 mm的FIHP具有最好的剪切弹性模量和很好的塑性变形。在探明了 FIHP力学性能的同时,给出了其侧压承载力简易计算公式。本研究为利用甲虫前翅仿生技术推广玄武岩纤维应用提供了优化的材料组成参数。