克氏原鰲蝦頭胸部外骨骼微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損特性

張智泓，張廣凱，佟 金，賴慶輝，高旭航，唐 瑩，Stephen Carr

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克氏原鰲蝦頭胸部外骨骼微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損特性

張智泓1,2，張廣凱1，佟 金3，賴慶輝1，高旭航1，唐 瑩4，Stephen Carr5

（1. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500； 2. 美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究中心，麥迪遜大街1680號，伍斯特 44691； 3. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室，長春 130025； 4. 昆明醫(yī)科大學(xué)電子顯微鏡實驗室，昆明，650500； 5. 國際田間水土資源循環(huán)利用設(shè)施公司，塞勒姆印第安納州 47167 美國）

為探索克氏原鰲蝦()在泥漿中穿行的防黏耐磨機理，該文以克氏原鰲蝦頭胸部外骨骼作為研究對象，分析其無機元素含量和存在形態(tài)，觀察其微觀結(jié)構(gòu)，并測量其硬度和彈性模量；對外骨骼進行摩擦磨損試驗，考察其摩擦磨損特性，并觀察磨痕的磨損形貌。試驗表明，克氏原螯蝦頭胸部外骨骼中含有大量的鈣元素，其中大部分以非晶結(jié)構(gòu)存在，并含有少量碳酸鈣；外骨骼表面具有凹坑、凸包和剛毛微觀結(jié)構(gòu)；螺旋夾板層具有蜂房結(jié)構(gòu)，鈣鹽以針簇狀分布在螺旋夾板層中；外骨骼硬度為0.503 GPa、彈性模量為18.019 GPa；摩擦因數(shù)呈跳躍式變化，最小時不足0.1，最大時接近0.8，屬于磨粒磨損。研究結(jié)果為農(nóng)業(yè)機械觸土部件表面防黏、耐磨的仿生設(shè)計提供理論依據(jù)。

微觀結(jié)構(gòu)；摩擦；硬度；外骨骼；微觀結(jié)構(gòu)；彈性模量；摩擦磨損

0 引 言

具有優(yōu)異特性的生物材料是自然界不斷選擇的結(jié)果，呈現(xiàn)出特殊的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，研究人員通過對生物體樣本進行研究，以期發(fā)現(xiàn)解決工程中實際問題的方法。例如諸多植物的莖葉，動物的鱗片、骨骼等所特有的結(jié)構(gòu)都具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)異特性[1-6]。委凱琪等[7]對具有較大咬合力的牛鯊牙齒進行摩擦試驗，證實了其優(yōu)異的耐磨特性，并觀察到其內(nèi)部具有條狀纖維束和多孔微觀結(jié)構(gòu)；張成春等[8]基于毛蚶殼的表面形態(tài)和軟硬相間的硬度分布特征，設(shè)計了形態(tài)、材料二元耦合仿生模型，仿生試樣的耐磨損性能與光滑試樣相比均有提高。在中國云南省黏重的紅黏土中生存的克氏原螯蝦（），屬節(jié)肢動物門、甲殼綱，善于在濕黏的土壤中掘洞、穿行，在土壤中運動過程中能保持自身清潔、不黏土，且體表不易發(fā)生磨損?？耸显r體壁堅硬，體壁起到類似于脊椎動物骨骼的支撐作用，所以稱為外骨骼[9]，惡劣的土壤內(nèi)部環(huán)境要求克氏原螯蝦外骨骼在與濕黏土壤接觸過程中，不僅能夠減小黏附、降低阻力，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐磨特性，以更好地適應(yīng)土壤內(nèi)部環(huán)境?？耸显r外骨骼具有防粘、耐磨等優(yōu)異特性，所以一方面對其微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，探索其減黏降阻機理，為觸土部件的仿生防粘幾何表面設(shè)計提供依據(jù)；另一方面對其力學(xué)性能和摩擦磨損性能研究，探索其化學(xué)成分構(gòu)成、納米力學(xué)性能、摩擦磨損性能，為新型耐磨復(fù)合材料的研究提供仿生學(xué)基礎(chǔ)。童華等[10]對蝦殼、蟹殼的微觀形貌和結(jié)構(gòu)進行對比觀察，發(fā)現(xiàn)蟹殼中以方解石晶型存在的碳酸鈣分布在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機質(zhì)中，有機基質(zhì)脫去蛋白后留下的甲殼質(zhì)呈片層狀結(jié)構(gòu)。Raabe等[11-13]從結(jié)構(gòu)和機械性能等方面對美洲螯龍蝦（）的螯部進行了研究，指出其螯部具有螺旋夾板層和蜂房狀結(jié)構(gòu)，其機械性能具有突變性。吳志威等[14]對美洲螯龍蝦的外骨骼的硬度和彈性模量進行了研究，表明其外骨骼具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

本文以克氏原螯蝦外骨骼為研究對象，對其頭胸部外骨骼的微觀結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)性能和摩擦磨損特性進行研究。通過X射線熒光光譜儀和衍射儀分析其無機元素成分和晶格形態(tài)；用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面和截面的微觀結(jié)構(gòu)，并觀察經(jīng)HCl脫鈣、NaOH脫蛋白質(zhì)后的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)；結(jié)合納米壓痕儀和摩擦磨損試驗機對外骨骼的硬度、彈性模量和摩擦因數(shù)的測量結(jié)果，探索外骨骼元素成分和微觀結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)特性和摩擦特性的相關(guān)聯(lián)系。根據(jù)摩擦磨損試驗測得的摩擦因數(shù)，以及場發(fā)射掃描電子顯微鏡對磨痕的觀察，探討克氏原螯蝦頭胸部外骨骼與Si3N4陶瓷球的摩擦行為。綜合對以上因素的研究，以期找出克氏原螯蝦頭胸部外骨骼減黏、耐磨功能的生物耦合機理，對農(nóng)機具觸土部件仿生防黏、耐磨材料的研制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

從云南省昆明市郊區(qū)抓取克氏原螯蝦（）成體，選取體長120 mm左右、體表呈暗紅色的成熟個體作為研究對象。取洗凈的克氏原螯蝦的頭胸部外骨骼，置于溫度為45°的烤箱內(nèi)烘烤12 h后取出，用研缽研成粉末，經(jīng)200目過濾篩過濾后用于X射線衍射和熒光光譜分析。X射線衍射儀的射線源為CuK1，掃描范圍20°～80°，步長0.02°，每步掃描8 s。

取克氏原螯蝦外骨骼，用超聲波進行清洗后，放入10%的甲醛溶液中固定24 h，然后分別用濃度為70%、80%、90%、100%的無水乙醇逐步脫水各24 h，之后在頭胸部剪取3 mm×3 mm大小的樣本[15]。選取3個較平整的樣本，其中2個樣品沿外表皮30°和90°方向截下[16]，得到一個斜截面和垂直截面，然后用導(dǎo)電膠將3個樣品固定在載物臺上用離子濺射儀進行20 s噴鉑處理，用于場發(fā)射掃描電子顯微鏡的觀察。取頭胸部平整的2塊樣品，用樹脂包埋固化、拋光處理后，制成待測樣品，分別用于納米壓痕儀的測試和摩擦磨損試驗[17-18]。

1.2 試驗方法

用X射線熒光光譜儀（AxiosMAX，Panalytical公司，荷蘭）和衍射儀，分析克氏原螯蝦外骨骼試樣的無機元素成分和化合物的存在形式，用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，Nova Nano-SEM 450，F(xiàn)EI公司，美國），觀察克氏原螯蝦頭胸部外骨骼表面和截面的微觀結(jié)構(gòu)。測量硬度和彈性模量時，納米壓痕儀（NANO G200，MTS公司，美國）的試驗參數(shù)設(shè)置為壓入深度2000 nm，壓入速度10 nm/s，設(shè)置其摩擦載荷為5和10 N，保壓時間為20 s，最大載荷60 mN[14]。沿頭胸部外骨骼正面脊線選取5個測試點（間距為10 mm），每個測試點分別截取3 mm×3 mm試樣。摩擦磨損試驗機（J&L Tech公司JLTB-02型，韓國）使用直徑為6 mm的Si3N4球磨，往復(fù)距離為5 mm，往復(fù)頻率為2 Hz，時間設(shè)定為30 min[18-20]。摩擦磨損試驗完成后，將試樣固定于樣品臺，經(jīng)脫水和噴鉑處理后，使用掃描電子顯微鏡對樣品磨痕進行觀察，并對磨損行為及磨損機理進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 克氏原螯蝦頭胸部外骨骼的成分組成及其微觀形貌

節(jié)肢動物體壁主要由幾丁質(zhì)、鞣化的蛋白基質(zhì)和無機鹽組成[21-25]。X射線光譜分析試驗表明，屬于節(jié)肢動物門甲殼綱的克氏原螯蝦頭胸部外骨骼中鈣的含量為36.39%（表1），而從X射線衍射分析圖譜（圖1）可見，掃描范圍在28°～30°之間時，出現(xiàn)明確的CaCO3衍射峰，這表明雖然克氏原螯蝦頭胸部外骨骼中鈣的含量很高，但大部分是以非晶結(jié)構(gòu)存在，僅有少部分以方解石形態(tài)的CaCO3存在[10]。

表1 試樣主要無機元素含量

圖1 常溫下外骨骼X射線衍射分析圖譜

如圖2所示，在克氏原螯蝦外骨骼表面分布有凹坑和凸包結(jié)構(gòu)，并且在凹坑和凸包的一側(cè)存在有剛毛，使外骨骼的表面呈現(xiàn)出幾何非光滑表面。這種非光滑的生物體表形態(tài)能夠有效減小界面的接觸面積，破壞水膜連續(xù)性，起到減小黏附和降低摩擦力的效果[26]。Ren Luquan等[17]根據(jù)蜣螂唇部結(jié)構(gòu)設(shè)計了具有凸包結(jié)構(gòu)的仿生推土板，證明了這種結(jié)構(gòu)的減阻效果明顯。克氏原螯蝦體表呈現(xiàn)出的凸包凹坑和剛毛復(fù)合形態(tài)表面，為濕黏土壤中作業(yè)的農(nóng)機具觸土部件，提供了新的設(shè)計依據(jù)和思路。體壁結(jié)構(gòu)如圖3示出。從圖3a可見，外骨骼由上表皮、外表皮和內(nèi)表皮構(gòu)成，其中上表皮之外極薄的層狀結(jié)構(gòu)，是皮細胞腺分泌的蠟質(zhì)層。幾丁質(zhì)、有機基質(zhì)蛋白質(zhì)和非晶礦物質(zhì)構(gòu)成外表皮和內(nèi)表皮，且主要以螺旋夾板形式存在，外層的螺旋夾板厚度小、質(zhì)密。如圖3b所示，在外表皮的外層，鈣鹽沉積層平行于外骨骼表面層疊生長，并以少量碳酸鈣和大量非晶礦物形式存在。鈣鹽沉積層上密布孔道，螺旋夾板層與外骨骼表面平行，呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在這些孔隙中有大量的蛋白質(zhì)纖維縱橫交錯（圖2c和2d），這些結(jié)構(gòu)為營養(yǎng)物質(zhì)在外骨骼內(nèi)各層之間的傳遞提供條件。為了探索鈣在螺旋夾板層中的存在形式，將試樣進行了脫鈣和脫蛋白處理觀察，如圖4a和4b所示，試樣經(jīng)脫鈣以后出現(xiàn)鏤空狀結(jié)構(gòu)，脫蛋白后鈣鹽以針柱狀支撐結(jié)構(gòu)存在。這表明在螺旋夾板中鈣鹽不是均勻分布的，而表現(xiàn)為像骨骼一樣分布在螺旋夾板內(nèi)，起到支撐作用，針柱狀的結(jié)構(gòu)又能與幾丁質(zhì)緊密連接，外表皮中螺旋夾板層鈣的含量高于內(nèi)表皮螺旋夾板層[14]，該結(jié)構(gòu)形式使外表皮堅硬，可抵抗磨損；而內(nèi)表皮黏彈性好，可抵御載荷、吸收能量。

圖2 外骨骼表面微觀結(jié)構(gòu)

圖3 外骨骼截面微觀結(jié)構(gòu)

圖4 外骨骼脫蛋白質(zhì)和脫鈣后的微觀結(jié)構(gòu)

2.2 克氏原螯蝦頭胸部外骨骼的摩擦磨損特性

克氏原螯蝦頭胸部外骨骼質(zhì)輕(2.431 g)、堅硬。納米壓痕儀測量結(jié)果表明，其硬度平均值達到了0.503 GP，彈性模量平均值為18.019 GPa（圖5a）。納米壓痕試的驗載荷-壓痕深度曲線顯示，載荷和壓痕深度不是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，在加載階段初期由于熱飄移的影響，該段數(shù)據(jù)不作為有效數(shù)據(jù)采集，所以納米力學(xué)硬度和彈性模量的測量值需選取穩(wěn)定段數(shù)據(jù)的平均值。需要注意的是在卸載階段，載荷降低到10 mN以內(nèi)時，出現(xiàn)了2條平緩線段，說明在這個位置載荷降低到小于其能承受屈服應(yīng)力以后，塑性變形恢復(fù)，表明該位置的螺旋夾板的生物黏彈性回復(fù)較好。

依據(jù)對鹿牙、獾牙、豬牙等的摩擦磨損試驗設(shè)定的20 N法向載荷[27-28]，以及對節(jié)肢動物淡水龍蝦鰲、淡水螃蟹鰲摩擦磨損試驗設(shè)定的1和3 N法向載荷[14]，在該載荷之下樣本摩擦因數(shù)變化規(guī)律無明顯差異。而克氏原螯蝦頭胸部外骨骼樣本極薄，僅有0.3 mm左右，本研究通過反復(fù)試驗，為了即能夠順利完成試驗、又能測試不同法向載荷下摩擦因數(shù)的變化趨勢，選用5和10 N作為本試驗的法向載荷。通過顯微鏡對2處磨痕進行觀察，發(fā)現(xiàn)2處磨痕形態(tài)類似，磨痕都較淺；用掃描電鏡對磨痕進行觀察（圖5b、5c），可以看到在犁溝內(nèi)都有裂紋出現(xiàn)，隨著摩擦行為的持續(xù)，產(chǎn)生片狀剝落。當(dāng)最外層極薄的蠟質(zhì)層被磨穿以后，Si3N4球與上表皮的鈣鹽沉積層對磨，使平行于外骨骼表面層疊生長的鈣鹽層受到反復(fù)擠壓，出現(xiàn)裂紋和大片剝落并有犁溝（圖5d）出現(xiàn)，經(jīng)長時間反復(fù)擠壓對磨，形成的細小磨粒能夠在凹凸不平的摩擦面發(fā)生滾動，從而降低磨損。將本試驗與天然竹材的磨損試驗進行比較，竹材結(jié)構(gòu)大體可按厚壁細胞和薄壁細胞加以區(qū)分，其中薄壁細胞為竹材的基體，而厚壁細胞即竹纖維為竹材的增強體，當(dāng)竹纖維與滑動界面處于垂直方向時，試樣表面層一定深度的基體組織被首先磨去，使纖維端頭突出于基體之上，形成一種具有非光滑特征的磨損表面幾何形態(tài)[1]。克氏原螯蝦外骨骼結(jié)構(gòu)與天然竹材結(jié)構(gòu)具有相似性，在與螺旋夾板層發(fā)生摩擦行為時，由于幾丁質(zhì)與針柱狀沉積的鈣鹽摩擦特性不同，耐磨性差的幾丁質(zhì)首先被磨掉，針柱狀沉積的鈣鹽在機體上突出，形成非光滑的摩擦面。這種非光滑特征的磨損表面幾何形態(tài)是在摩擦磨損過程中形成的耐磨形態(tài)，細小的磨粒易于在這種非光滑的表面滾動使磨損減少[29-33]，因此試樣能表現(xiàn)出良好的摩擦磨損特性。

圖5 外骨骼的力學(xué)特性和磨損表面形貌

如圖6所示，在正壓力為5和10 N載荷下，直徑為6 mm的Si3N4球?qū)δピ嚇拥谋砻妗膱D6a摩擦因數(shù)隨時間變化的趨勢可知，在摩擦行為的初期，摩擦因數(shù)較?。ㄐ∮?.1），隨著時間的增加，摩擦因數(shù)逐漸變大，且在0.4到0.8之間規(guī)律波動，該現(xiàn)象的原因是由于在摩擦初期，Si3N4球與外骨骼上表皮的蠟質(zhì)層接觸，蠟質(zhì)層致密，表面較光滑，粗糙度小，所以摩擦因數(shù)較小。隨著蠟質(zhì)層的磨穿，摩擦系數(shù)迅速增加，此時Si3N4球與外表皮的鈣鹽沉積層對磨，由于鈣鹽沉積層平行表面層疊生長、且內(nèi)部布滿孔道，當(dāng)Si3N4球在鈣鹽沉積層滑動時，鈣鹽層不斷有小片剝落下來，對Si3N4球的滑動起到一定的黏滯作用，滑動過程中還要不斷跨越密布的小孔，導(dǎo)致滑動摩擦行為不能連續(xù)，使得摩擦力有所增大且規(guī)律波動。摩擦因數(shù)達到峰值以后整體出現(xiàn)下降趨勢，是因為剝落的小片被反復(fù)研磨成細小的顆粒在摩擦面發(fā)生滾動，使摩擦力減小。當(dāng)摩擦行為進行到螺旋夾板層時，螺旋夾板層的蜂房結(jié)構(gòu)仍然使Si3N4球和摩擦面不能形成有效連續(xù)的滑動摩擦而產(chǎn)生穩(wěn)定的摩擦力，致使摩擦因數(shù)仍然在一個區(qū)間內(nèi)跳動，但是相比之前又有所下降，這與螺旋夾板層中鈣的存在形態(tài)有一定關(guān)系，圖4b顯示鈣在螺旋夾板層中呈針柱狀存在并與幾丁質(zhì)緊密連接在一起。當(dāng)Si3N4球與螺旋夾板層對磨時，相對柔軟的幾丁質(zhì)被首先磨掉，使針簇狀的鈣鹽突出于摩擦表面，形成具有非光滑特征的磨損表面幾何形態(tài)。隨著摩擦?xí)r間的推移，剝落下來的片狀鈣鹽受到反復(fù)研磨，顆粒粒徑不斷減小，這些細小的顆粒能夠起到潤滑的作用，使摩擦系數(shù)有所降低。

圖6 載荷為5和10 N時外骨骼與Si3N4球的摩擦特性

載荷為10 N時，圖6b所示，摩擦?xí)r間在0~500 s，摩擦因數(shù)較圖6a略小，經(jīng)過500s以后摩擦因數(shù)跳動區(qū)間開始明顯呈變大趨勢，較小的摩擦因數(shù)在0.3左右浮動，較大的摩擦因數(shù)在0.7左右浮動，造成該現(xiàn)象的原因是載荷增加隨著摩擦行為的深入，對螺旋夾板層的磨損較為嚴(yán)重，螺旋夾板層中鈣的含量及分布不均勻，外表皮螺旋夾板中鈣鹽成分高于內(nèi)表皮，使得在鈣鹽含量少的位置摩擦力增大，進而使摩擦系數(shù)變大；在鈣鹽堆積的摩擦位置，由于細小磨粒的滾動，摩擦因數(shù)變小。在摩擦剛開始時，由于致密蠟質(zhì)層的存在，摩擦因數(shù)較小，僅為0.1左右，隨著蠟質(zhì)層的磨穿，因為外骨骼螺旋夾板層的特殊的結(jié)構(gòu)，摩擦因數(shù)在一定區(qū)間范圍內(nèi)出現(xiàn)波動的情況。此外，觀察到摩擦系數(shù)的波動有規(guī)律性，根據(jù)Raabe等[11-13]建立的美洲龍蝦()螯部外骨骼微觀結(jié)構(gòu)模型，提出螯部外骨骼微觀結(jié)構(gòu)具有纖維繞向和分層多孔的結(jié)構(gòu)特性，蛋白纖維沿法線方向旋轉(zhuǎn)180°且呈周期性疊積，旋轉(zhuǎn)形成螺旋夾板結(jié)構(gòu)，使摩擦系數(shù)周期變化。

2.3 討論

克氏原螯蝦（）粗大的頭胸部外骨骼起到保護和支持體內(nèi)主要柔軟器官的作用，并且是體表與土壤接觸面積最大的部位，在適應(yīng)生存環(huán)境過程中發(fā)揮重要的作用?？耸显r頭胸部外骨骼具有減黏降阻的功能，使其能在泥漿中自由穿行；優(yōu)良的耐磨特性，以保證外骨骼的結(jié)構(gòu)完整。非晶的礦物質(zhì)構(gòu)成了克氏原螯蝦的頭胸部外骨骼的礦物相，其中含有少量的碳酸鈣存在。這些礦物相主要存在于鈣鹽沉積層和螺旋夾板層中，在鈣鹽沉積層中呈均勻分布且平行于外表面層疊生長，而在螺旋夾板層中呈不均勻分布，如針柱狀穿插于螺旋夾板層之中。外表皮和內(nèi)表皮由螺旋夾板層組成，螺旋夾板層由殼質(zhì)-蛋白纖維和無機鹽構(gòu)成。螺旋夾板層的厚度由外層到內(nèi)層遞增，鈣鹽在螺旋夾板層中的含量存在梯度，外表皮螺旋夾板班層中鈣含量高于內(nèi)表皮[31]；螺旋夾板層還有多孔的蜂房結(jié)構(gòu)，一些植物的細胞壁纖維素和致密的骨骼中都發(fā)現(xiàn)有類似的蜂房結(jié)構(gòu)[32]，可有效增強其力學(xué)特性；螺旋夾板層的蛋白纖維束分布繞向不同，這種螺旋夾板層中鈣鹽和纖維束的各向異性，使外骨骼的外表皮有更好的硬度抵御外部載荷沖擊，內(nèi)表皮具有較好彈性，能有效吸收能量并防止裂紋的產(chǎn)生和擴散，使外骨骼具有良好的力學(xué)性能。

幾丁質(zhì)又稱甲殼質(zhì)、甲殼素，廣泛存在于節(jié)肢動物的外殼，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)和植物纖維相似，因此也稱為動物纖維。幾丁質(zhì)是一種高分子堿性多糖，本文從摩擦磨損特性方面對克氏原螯蝦的外骨骼微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，雖然幾丁質(zhì)-殼質(zhì)蛋白基質(zhì)和無機鹽共同組成了外骨骼的結(jié)構(gòu)，但是幾丁質(zhì)-殼質(zhì)蛋白基質(zhì)和無機鹽是在構(gòu)成許多個厚度不一的螺旋夾板層的基礎(chǔ)上，堆疊形成外骨骼的結(jié)構(gòu)，最外螺旋夾板層最薄，含無機鹽鈣最多，最內(nèi)的螺旋夾板層最厚，而無機鹽鈣的含量最少[14]。外骨骼的鈣鹽沉積層上密布的孔洞和螺旋夾板層的蜂房多孔結(jié)構(gòu)，使摩擦行為不能在一個穩(wěn)定的條件下持續(xù)進行，導(dǎo)致Si3N4球與克氏原螯蝦頭胸部外骨骼對磨時，摩擦因數(shù)值在一個區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)跳躍式變化。又因為鈣鹽在螺旋夾板層中分布不均勻，呈梯度存在，在磨損加劇后，摩擦因數(shù)逐漸有變大趨勢。正是幾丁質(zhì)-殼質(zhì)蛋白纖維與無機鹽鈣的特殊組合形式，使螺旋夾板層的功能有效分化，外表皮層抵御載荷，內(nèi)表皮層吸收能量，形成最優(yōu)結(jié)構(gòu)以更好的適應(yīng)土壤內(nèi)部生存環(huán)境。當(dāng)克氏原螯蝦在濕黏土壤內(nèi)部運動、與土壤相互作用時，其外骨骼表面的凸包、凹坑和剛毛耦合結(jié)構(gòu)形成非光滑表面，有效減小了與泥漿的接觸面積，破壞連續(xù)水膜，起到減黏和減阻的作用；當(dāng)外部載荷對克氏原螯蝦頭胸部外骨骼進行擠壓時，外表皮的鈣鹽沉積層和較薄的螺旋夾板層抵御沖擊保證外骨骼不易發(fā)生變形，內(nèi)表皮較厚的螺旋夾板層具有良好的彈性，吸收大部分沖擊能量，能夠減小沖擊，內(nèi)外表皮層協(xié)同作用達到保護自身的功能。外表面接觸面積減小，外表皮和內(nèi)表皮對外界載荷的抵御和緩沖作用，使外界載荷對外骨骼的垂直正壓力減小，而上表皮致密的蠟質(zhì)層摩擦因數(shù)較小，使外骨骼能夠起到耐磨的效果。

成熟的克氏原螯蝦約每3 a換殼1次，日常活動中造成的體表損傷，可在新陳代謝作用下不斷的更新和修復(fù)。Johnson等[33]提出，節(jié)肢動物體表發(fā)生損傷后，體表產(chǎn)生表皮碳氫化合物,并通過蠟質(zhì)通道輸送到角質(zhì)層表面，這些脂質(zhì)通過擴散填補由磨損引起的劃痕和犁溝，重新密封角質(zhì)層。體表從磨損中恢復(fù)的能力取決于磨損的程度，以及損傷是限于表層還是延伸到角質(zhì)層。節(jié)肢類動物體表損傷后，一般修復(fù)機制3 h內(nèi)被觸發(fā)，修復(fù)過程約14 h。然而，土壤洞穴動物生存于惡劣的土壤內(nèi)部磨損環(huán)境，因生存需要，不斷地挖掘洞穴和在土壤內(nèi)部穿梭，體表反復(fù)持續(xù)與土壤顆粒接觸，其體表損傷的修復(fù)因此而減緩，且損傷后的體表只能部分恢復(fù)，很少完全修復(fù)。因而土壤動物在進化壓力作用下，形成了耐磨性能優(yōu)異的體表，對具有優(yōu)異特性的生物體表面開展摩擦試驗，可以為仿生耐磨表面的研發(fā)提供理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）通過X射線熒光光譜儀、X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡分析和觀察了克氏原螯蝦()頭胸部外骨骼的成分組成和微觀結(jié)構(gòu)。試驗表明：蠟質(zhì)層、層疊生長的鈣鹽層和多孔蜂房結(jié)構(gòu)的螺旋夾板層共同構(gòu)成了其外骨骼的表皮，表皮表面具有凸包凹坑剛毛復(fù)合形態(tài)。其中外表皮致密、堅硬能夠抵御外部載荷，內(nèi)表皮有彈性可以吸收外部能量。

2）克氏原螯蝦頭胸部外骨骼的的力學(xué)性能良好，硬度為0.503 GPa，彈性模量為18.019 GPa。

3）克氏原螯蝦頭胸部外骨骼與Si3N4球?qū)δコ跗谀Σ烈驍?shù)最小，其上表皮的蠟質(zhì)層光滑、致密、耐磨性好，但是極薄，比較容易被破壞。隨著摩擦?xí)r間增加，摩擦因數(shù)值發(fā)生了跳躍性變化，在鈣鹽沉積層和螺旋夾板層表面布滿了孔洞，使之不能產(chǎn)生連續(xù)的滑動摩擦導(dǎo)致摩擦因數(shù)值變大；而連續(xù)滑動摩擦?xí)r，摩擦面細小磨粒的滾動能有效的減小磨損，這時摩擦因數(shù)值能保持穩(wěn)定。但是載荷增大以后，磨損的深度有所增加，加之鈣鹽在螺旋夾板層的梯度分布，使摩擦因數(shù)值有所增加，摩擦因數(shù)的跳動區(qū)間擴大。

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Microstructure and tribology characteristics of head and chest exoskeleton of

Zhang Zhihong1,2, Zhang Guangkai1, Tong Jin3, Lai Qinghui1, Gao Xuhang1, Tang Ying4, Stephen Carr5

(1.650500;2.168044691;3.130025; 4.650500; 5.47167)

has remarkable ability to burrow and move efficiently underground through a range of harsh and paddy soil environments. To investigate the friction and wear behavior of,its head and chest exoskeleton were chosen as the object of this study. The content and presence of inorganic elements in exoskeleton were analyzed by X-ray fluorescence spectrometer (AxiosMAX, PANalytical, Netherland) and X-ray diffractometer. The microstructure of the exoskeleton of the head and chest was observed by field emission scanning electron microscopy (NovaNano-SEM450, FEI, USA). The hardness and elastic modulus of the thoracic and lateral exoskeleton were measured by nanoindentation system(NanoindenterG200-MTSNanoInstruments). The JLTB-02 friction and wear tester (JLTB-02J<ech, Korea)was used to carry out friction and wear test. The tribological characteristics of the exoskeleton were investigated. Meanwhile, the wear morphology of the wear marks was observed by field emission scanning electron microscopy. The test result showed that its head and chest exoskeleton contain abundant calcium, and most of them are present in a form of amorphous structure and with a small amount of calcium carbonate. The surface of head and chest exoskeleton had a concave and convex hull bristle microstructure. Its exoskeleton was composed of upper epidermis, outer epidermis and inner epidermis. The upper epidermis was made up of thin waxy layers. Calcium salt deposits and crustacean protein fibers constituted the outer and inner epidermis, and the outer epidermis and the inner epidermis were in the form of twistedplywood. The needle-like calcium salt was unevenly distributed in a spiral splint, similar to a bone structure. The hardness of the exoskeleton was 0.503 GPa and the elastic modulus was 18.019 GPa. The twistedplywood had good scalability. After the load was unloaded, the twistedplywood could be well restored. There were many abrasive grains in the furrow at the wear location of the specimen. This showed that the friction behavior is abrasive wear. The friction factor showed a leaping change, the minimum friction factor was less than 0.1, and the maximum value was around 0.8. Many pores were distributed over the calcium salt deposits and the twisted-plywood. The main function of these pores was to deliver nutrients. When the Si3N4 ceramic ball and the exoskeleton rubbed against each other, the continuous sliding friction behavior was interrupted and mitigated by these pores. As the sliding friction behavior continued, the chitin in the spiral plywood was quickly worn away. The needle-like calcium salt was exposed to the friction surface. A non-smooth characteristic of the wear surface geometry was formed on the friction interface. Small free abrasive particles couldeasily roll on the non-smooth surface with less resistance. Therefore, the friction was reduced and the friction factor showed a jumping change. This research can provide a bio-inspired basis for the innovative design of agricultural composite materials and anti-friction surface of soil-engaging components. In addition, the experiment data can provide theoretical basis for the study of the tribology properties of soil animal exoskeleton in the future by observing the microstructure and analyzing the friction properties.

microstructure; friction; hardness; exoskeleton; micro-structure; elastic modulus; friction and wear

張智泓，張廣凱，佟 金，賴慶輝，高旭航，唐 瑩，Stephen Carr. 克氏原鰲蝦頭胸部外骨骼微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(7)：52－58. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.007 http://www.tcsae.org

Zhang Zhihong, Zhang Guangkai, Tong Jin, Lai Qinghui, Gao Xuhang, Tang Ying, Stephen Carr. Microstructure and tribology characteristics of head and chest exoskeleton of[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 52－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.007 http://www.tcsae.org

2017-09-00

2018-02-02

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（51605210）；云南省科技計劃項目青年項目(2015FD011)；昆明理工大學(xué)引進人才科研啟動基金項目(14118940)；昆明理工大學(xué)分析測試基金（2016T20140038, 2017M20162214015）；昆明理工大學(xué)大創(chuàng)訓(xùn)練計劃項目（201610674069）。

張智泓，白族，云南大理人，講師，博士、博士后，從事農(nóng)機具觸土部件仿生優(yōu)化研究。Email：zzh_0822@hotmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.007

TB17

A

1002-6819(2018)-07-0052-07