黑色鳃金龟鞘翅微结构及其纳米力学性能

杨志贤，刘泽华，戴振东

(1.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013;2.南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，江苏 南京 210016)

为满足工业及航空航天发展的需求，寻找轻质且满足多功能需求的先进复合材料成为新的发展和研究方向.经过长期进化形成的天然生物材料，因其具备优异的性能和独特的结构而备受人们的关注.如，东方蝼蛄前足爪趾的弹性模量为6.45 GPa，硬度为 0.21 GPa［1］;蜘蛛丝的强度为(0.8 ± 0.4)GPa［2］;蝗虫脚爪的强度为160 ～640 MPa［3］;东方龙虱鞘翅的强度为169～195 MPa，比强度为200～220 MPa·(g·cm－3)－1［4］;独角仙鞘翅采用了“三明治”式层合板结构，有强的韧性和抗剥离能力［5］.

本研究以黑色鳃金龟为研究对象，利用光学显微镜和扫描电镜观测其鞘翅微结构，借助纳米压痕仪测试鞘翅外表皮不同区域纳米力学性能，同时对比分析2种不同环境甲虫鞘翅的微结构和力学性能特性.

1 材料与方法

1.1 材 料

黑色鳃金龟(Sophrops)属鞘翅目金龟子科(Coleoptera:Scarabaeoidea)，采自江苏省睢丁县，体重为(1.12±0.05)g，鞘翅长为(11 ±0.4)mm.图 1 为黑色鳃金龟成虫形貌.

图1 黑色鳃金龟成虫形貌

1.2 扫描电镜试验及试样制备

鞘翅试样取自成虫活体.用超声波清洗2～3 min，去除表面灰尘及杂质颗粒;接着放入体积分数分别为75%，85%，95%的酒精溶液中各浸泡10 min进行脱水;最后经液氮冷冻1 h左右，用镊子在鞘翅观测部位掰断取样，并喷金处理完成试样制备.后期借助软件CorelDraw对SEM照片进行数据处理.

1.3 纳米力学性能测试

取样前用蒸馏水清洗前用棉签擦拭干净，去除新鲜鞘翅表面的杂质.试样 A，B，C，D，E和 F取自鞘翅不同区域(2 mm×2 mm)，其纳米力学性能的测试在纳米压痕仪(Nano Indenter SA2，MTS，USA)上进行，每个试样设定8～9个点进行重复试验.其中，加载载荷为3 mN，加载速率为10 nm·s－1，表面接触距离为1000 nm，压痕深度为500 nm，热漂移率为 0.15 nm·s－1，泊松比为 0.35.环境温度为(27±0.5)℃，环境湿度为65%.后处理取所测试样平均值表征该甲虫鞘翅的纳米力学性能参数值.

2 结果与讨论

2.1 鞘翅断面微结构

鞘翅断面可分为背壁层、腹壁层和中空层，如图2所示.背壁层和腹壁层由直径约90 μm“桥墩”状纤维束柱体连接，增强鞘翅的强度和抵抗变形的能力(图2a).鞘翅厚度为(108.08 ±17.46)μm，其中背壁层厚度(66.81±5.61)μm，中空芯层厚度为(59.29 ±10.13)μm，腹壁层厚度(8.33 ±0.71)μm，厚度比为8∶7∶1.背壁层为主要受力层，用于保护甲虫躯体和飞行翅.

图2 鞘翅断面SEM图

桥墩状纤维束柱体由片状纤维层采用螺旋铺设方式连续环绕，与背壁、腹壁内侧的纤维层编织成一个整体(图2b).片状纤维层为许多纤维丝由平行铺设的方式编织在一起(黑色箭头所示)，纤维丝的直径为(2.83±0.23)μm，部分纤维丝末端分叉(图2c).

图3为鞘翅断面各微结构构成细节.图3a表明鞘翅断面具有分级层状复合结构特性，鞘翅的背壁层和腹壁层均由外表皮和内表皮构成.外表皮为黑色的致密层，内表皮呈层状结构，质地疏松，由5～6层纤维层平行叠加铺设而成的.图3b中，鞘翅背壁层外表皮厚度(24.45±2.13)μm，内表皮单层纤维层厚度(3.34±0.58)μm，纤维层间存在一定的缝隙.图3c中，鞘翅外表皮断面呈鱼鳞状(白色箭头所示)，质地致密，可有效提高其力学性能.外表皮与纤维层的接缝处存在许多直径为(3.02±0.22)μm的小孔结构，有利于提升其吸声性能和隔热效果.图3d中，鞘翅腹壁外表皮厚度(2.27±0.17)μm，内表皮单层纤维层厚度(0.73±0.07)μm，分别为背壁层对应结构参数值的1/10和1/5，纤维层间编织紧密.鞘翅内表面附着成阵列分布的微细刚毛群，可以净化飞行翅内腔环境，缓冲外部压力.

图3 鞘翅断面各微结构构成细节

图4为鞘翅断面结构示意图.

图4 鞘翅断面结构示意图

该结构是一种由背壁层、中空芯层和腹壁层构成的中空夹芯层结构.它利用最少材料的同时，保证其功能需求.通过2种不同生活环境甲虫鞘翅断面微结构的比较(东方龙虱部分为前期工作［6］)可知，黑色鳃金龟鞘翅厚度仅为东方龙虱的1/2，而其断面占空比却远大于东方龙虱(见表1);黑色鳃金龟鞘翅背壁层厚度远大于其腹壁层，而东方龙虱鞘翅背壁层和腹壁层的厚度相当，体现了甲虫为适应其生活环境而优化的程度和方向.

表1 不同生活环境中的甲虫鞘翅断面微结构比较

目前常见中空轻质结构主要有蜂窝结构、泡沫结构和点阵结构等［7］，具有很好的机械性能，但其制作成本高.甲虫鞘翅与传统材料最大不同在于其具最优化的铺层结构和高空隙率，在满足其轻质条件的同时具备许多优良特性，为后续设计及制备新型中空轻质型仿生结构提供了良好的仿生学模型.

2.2 鞘翅表面形貌

宏观下，黑色鳃金龟鞘翅表面比较光滑，试验测得其粗糙度Ra值约为0.57 μm.微观下，鞘翅呈现非光滑表面织构，如图5所示.

表面布满许多规律性分布的凹坑，其直径为(10.54±1.18)μm，相邻两凹坑间距为(30.44 ±4.71)μm.类似的非光滑表面，如甲虫鞘翅、甲虫前胸背板等，具有自清洁和减粘降阻的效果［8］，受此启发研制的仿生非光滑犁壁、推土板等已成功用于农业工程上［9－10］;同时这种非光滑表面呈现疏水性，该特性可用于储水装置的设计［11］.

图5 鞘翅表面形貌

2.3 鞘翅表皮力学性能

鞘翅微结构参数均在微、纳米级别(表1所示)，常用工程材料的宏观力学性能测试方法无法精确地获得其力学性能.本试验所采用的纳米压痕仪系统，其压入深度通常在纳米量级，最大不超过几个微米，可用于甲虫鞘翅力学性能的测试.试验时压痕深度取500 nm，远小于背壁层外表皮厚度24.45 μm，故测试结果主要反映了鞘翅外表皮的纳米力学性能.图6为鞘翅纳米力学性能变化曲线图，其中温度为25℃，湿度为65%，泊松比为 0.35.

图6 鞘翅纳米力学性能变化曲线

图6a主要由加载曲线和卸载曲线构成.有效的试验结果应保证加载曲线和卸载曲线不相交或重合.受到试验环境及仪器本身因素等的影响，试验过程经历2个阶段(图6b，6c):热漂移阶段(h＜100 nm)和稳定保压阶段(h＞100 nm).热漂移阶段的数据不能真实地反映出材料的纳米力学性能，故后处理时，获取稳定保压阶段数据的平均值来表征该试样的力学性能参数值.由图6b，6c可知:试样在靠近鞘翅对接缝处其参数值最大(试样F)，硬度H=(0.62 ±0.13)GPa，弹性模量 Er=(9.50 ±1.40)GPa;鞘翅边缘区域试样参数值较小(试样E)，硬度H=(0.45 ±0.08)GPa，弹性模量 Er=(8.02 ±0.82)GPa.鞘翅力学性能由鞘翅头部至鞘翅尾部有逐渐减小趋势，其力学性能呈现各向异性.计算得到所有测试试样的力学性能均值如下:硬度H=(0.48±0.09)GPa，弹性模量 Er=(8.81 ±0.88)GPa，其比刚度(H/ρ)和比模量(Er/ρ)分别为600 MPa·(g·cm－3)－1和1.1 ×104MPa·(g·cm－3)－1，接触刚度 K=(2.28 ±0.16)×104N·m－1，表明鞘翅材料有较好的抵抗变形的能力.

表2为不同生活环境中甲虫鞘翅各试样力学性能参数值比较.由表2可知:2种甲虫鞘翅外边缘区域试样(试样E)的力学性能均小于鞘翅其它区域.鞘翅为甲虫的主要承受力的部件，而A，B，C和D区域是其主要的受力和抵抗变形的区域，可以预见其力学性能比较优异;而鞘翅外边缘区域(试样E)主要承担与甲虫腹腔联接达到密封飞行翅所处内腔空间的目的，故对其力学性能的要求有所降低，该结果进一步证明了甲虫鞘翅为满足其功能需求进行的最优化设计.

表2 黑色鳃金龟与东方龙虱的鞘翅纳米力学参数值比较 GPa

纳米压痕仪的最大压痕深度在10 μm左右，适合测试大部分生物材料和薄膜材料的力学性能［12］，如，甲虫鞘翅材料.当压痕深度大于被测试样外层厚度的10%时，其力学性能参数值将受到试样内层的影响而导致结果的不准确［13］.本试验压深设定为500 nm，仅为外表皮厚度(24.45 μm)的2%，故其结果能真实地反映鞘翅外表皮的力学性能.

3 结论

1)SEM表明:鞘翅采用了一种由背壁层、中空芯层和腹壁层构成的中空夹芯层结构，在满足鞘翅强度的同时，保证了鞘翅对轻质的要求.鞘翅厚度为(108.08 ±17.46)μm，断面占空比为(36.17 ±2.35)%.鞘翅呈现非光滑表面织构，其粗糙度Ra约为0.57 μm.

2)鞘翅外表皮硬度为(0.48 ±0.09)GPa，弹性模量为(8.81 ±0.88)GPa，具有高的比刚度和比模量.鞘翅外表皮力学性能呈现各向异性，且靠近鞘翅对接缝处最大，鞘翅外边缘区域最小，其力学性能由鞘翅头部至鞘翅尾部区域有逐渐减小的趋势.

3)通过对比分析2种不同生活环境甲虫鞘翅的结构和力学性能，表明甲虫为适应不同环境选择了最优化的鞘翅结构.

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