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Mechanical and Frictional Properties of the Elytra of Five Species of Beetles

Journal of Bionic Engineering 2013年第1期10卷 77-83页

作者： Min Yu ilja hermann Zhendong Dai Norm Gitis Institute of Bio-inspired Structure and Surface Engineering Nanjing University of Aeronauties and Astronautics Nanjing 210016 P. R. China Bruker Nano Inc. 1717 Dell Ave. Campbell CA 95008 USA

The mechanical and frictional properties of different parts of the elytra of five species of beetle were measured using a nano-indenter and a micro-tribometer. The surface microstructures of the elytra were observed by optical microscopy and scanning white light interferometry. The surface microstructures of the elytra of all five species are characterized as non-smooth concavo-convex although specific morphological differences demonstrate the diversity of beetle elytra. Young＇s modulus and the hardness of the elytral materials vary with the species of beetle and the sampling locations, ranging from 1.80 GPa to 12.44 GPa, and from 0.24 GPa to 0.75 GPa, respectively. In general, both the Young＇s modulus and the hardness are lower in samples taken from the center of the elytra than those taken from other regions, which reflects the functional heterogeneity of biological material in the process of biological evolution. The elytra have very low friction coefficient, ranging from 0.037 to 0.079, which is related to their composition and morphology. Our measurements indicate that the surface texture and its mi- crostructural size of beetle elytra contribute to anti-friction effects.

关键词： beetle elytra bio-tribology surface morphology mechanical properties

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甲虫鞘翅表面的微观形貌和摩擦学性能研究

甲虫鞘翅表面的微观形貌和摩擦学性能研究

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青年摩擦学者与“十二五”发展——2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议

作者：于敏 ilja hermann Norm Gitis 戴振东南京航空航天大学

鞘翅目昆虫(通称甲虫)是动物界最大的一个目,共约35万多种。鞘翅为该类昆虫的前翅角质化而成,质轻坚硬,主要用于保护身体及飞行翅。鞘翅目昆虫种类多,分布广,适应性强,这与它们具有鞘翅这一结构有密切联系为了适应复杂多变的环境,在长... 详细信息

鞘翅目昆虫(通称甲虫)是动物界最大的一个目,共约35万多种。鞘翅为该类昆虫的前翅角质化而成,质轻坚硬,主要用于保护身体及飞行翅。鞘翅目昆虫种类多,分布广,适应性强,这与它们具有鞘翅这一结构有密切联系为了适应复杂多变的环境,在长期进化过程中,鞘翅的形态和结构也有很大不同,从而广泛地适应陆地、空中和水中等各种生活环境,成为航空航天领域轻质、可靠、高效飞行器零部件及工程材料的结构和几何设计的仿生对象。本文使用光学显微镜和三维形貌仪观测东方龙虱、蜣螂、棕色鳃金龟、日铜罗花金龟、独角仙和巨锯锹甲等6种甲虫鞘翅的表面微观结构,用纳米压痕仪测定了鞘翅不同区域的力学性能,在多功能摩擦试验机上钡l试了鞘翅的干摩擦性能,进而研究其与结构的关系。结果表明,6种鞘翅表面均为非光滑凹凸结构,鞘翅表面的不同特征显示了鞘翅形态的多样性;6种甲虫鞘翅不同区域弹性模量的变化范围从1.80 Gpa到14.08 Gpa,硬度的变化范围为0.24 Gpa～0.75 Gpa,总体上位子甲虫身体中部鞘翅的模量和硬度比其余部分小,反映了生物在进化过程中生物材料的的功能化非均质性;鞘翅这种生物非光滑表面具有很低的摩擦系数,摩擦系数的变化范围从0.037到0.368,其摩擦系数主要取决于表面材质和表面形貌,试验结果充分说明鞘翅这种生物非光滑表面结构和尺寸均具有减摩降阻的效果。研究结果为表面结构仿生设计和工程应用提供了理论依据。

关键词：鞘翅表面形貌力学性能摩擦性能

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