文档介绍：南京航空航天大学
硕士学位论文
甲虫鞘翅力学性能及其微结构研究
姓名:窦君智
申请学位级别:硕士
专业:机械设计及理论
指导教师:郭策
2011-03
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
本文以东方龙虱鞘翅为研究对象,从其表面和断面形貌、力学性能和三维重构等方面对甲
虫鞘翅生物材料进行了实验,并就实验结果进行对比分析和深入讨论。
微观结构研究方面,对东方龙虱鞘翅内表面、外表面、去外表皮表面及断面进行显微观测,
发现鞘翅外表面在纵向布满宽约 50µm 的沟槽;鞘翅内表面则布满了许多有多层白色纤维环绕
的黑色小孔结构,去除外表皮层后也可以观察到这种结构;鞘翅断面是由数层纤维层铺设而成,
形成空腔和空心小柱的结构。通过研究发现,鞘翅断面的这些中空小柱与内表面观察到的黑色
小孔是同一结构。
力学性能研究方面,研究了东方龙虱去除外表皮后的鞘翅内表皮层及其鞘翅断面的力学性
能。利用纳米压痕仪测得鞘翅内表皮层硬度和弹性模量分别为 ± 和
±,均远远小于鞘翅外表皮层的硬度和弹性模量。鞘翅断面的力学性能测试结果表明:
在鞘翅横断面上,靠近联接部位的硬度和弹性模量略大于鞘翅中部和外侧;而在鞘翅纵向断面
上,鞘翅中部的硬度和弹性模量明显大于头部和尾部,其断面力学性能呈现一定的分布规律。
三维重构方面,利用石蜡切片法围绕鞘翅的空腔-小柱结构单元制备出一套连续切片,并且
在 3D-DOCTOR 软件中重建出结构单元的模型,通过对模型分析可知,每个结构单元是由柱状
薄壁筒连接上下两层板的结构相套而成的。利用抛光机对鞘翅断面进行打磨,并获取每次打磨
后的断面图像,从而重建出鞘翅空腔的模型并分析了空腔在整个鞘翅中的分布情况,在此基础
上在 UG 软件中建立了鞘翅三维模型,为甲虫鞘翅轻质结构的仿生设计和制备奠定了基础。
关键词:仿生学,东方龙虱,鞘翅,形态结构,力学性能,三维重构

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甲虫鞘翅力学性能及其微结构研究
ABSTRACT
In this dissertation, morphological on both surface and section, mechanical properties and three
dimensional reconstruction of elytra from Cybister tripunctatus were investigated.
Regarding morphological structure, observation indicates that the elytra had a non-smooth
external surface where arrayed many longitudinal furrows, the width of furrow is about 50µm . Many
black holes which are twisted by white fibre layers bestrew on elytra’s internal surface, and the same
structure is found on the surface without epicuticle. There are cavities and hollow pillars on elytra’s
section, those are formed from many fibre layers twisted with each other in parallel way,
positive-negative way and helical way. Research shows that black holes and hollow pillars are the
same structure.
The mechanical properties of elytra without epicuticle and sections of Cybister’s elytra were
hardness and elastic modulus of elytra without epicuticle were obtained from the
Nano-indenter tests and the values are ± and ±,which are
much smaller than t