哺乳动物角蛋白材料力学及摩擦学行为研究

本论文在国家杰出青年科学基金项目(50025516)、国家自然科学基金(50275037)和高等学校博士学科点专项科研基金(20020183029)资助下,面向仿生材料和仿生摩擦学应用,对牛蹄、牛角、羊蹄和猪蹄四种哺乳动物角蛋白材料的结构、力学性能和摩擦学性能进行了系统的研究。分析了牛蹄、牛角、羊蹄和猪蹄四种角蛋白材料的微量元素含量。探索了四种材料的红外光谱和拉曼光谱,确定其二级结构间的共性与差异。用偏光显微镜分析四种角蛋白材料横断面形态,主要探讨蹄壁细管形状和尺寸沿厚度方向的变化以及在蹄角样品间的差异。对牛蹄、牛角和羊蹄三种角蛋白材料的拉伸力学性能进行了研究,探讨了试验条件因素(应变率)和材料因素(水分、取样位置、摩擦滑动方向等)对材料弹性模量、极限强度和破坏应变的影响。依据拉伸断口的扫描电镜照片分析角蛋白材料的断裂机理。系统考察了四种角蛋白材料沿厚度方向不同位置的纳米力学特性和显微硬度差异,以及水分、摩擦滑动方向等因素对试验结果的影响。探索了角蛋白材料的干滑动摩擦磨损性能,研究了试验条件和材料因素(水分、取样位置、方向等)对其摩擦磨损性能的影响。运用微观分析技术和接触力学理论揭示了角蛋白材料的摩擦磨损机理。并用生物角质(种子表皮)作对比分析,探讨动物角质与植物角质摩擦特性的共性与差异。 上述研究工作及其所取得的研究成果,对于仿生复合材料研制具有重要意义,对于生物摩擦学乃至仿生摩擦学研究是一项有意义的探索。