论文部分内容阅读
蛋壳膜是一种独特的生物聚合物材料,具有多孔纤维网状结构,主要由内膜和外膜组成。目前它已应用于医学、电化学以及生物统计学等诸多领域。作为一种生物软组织和粘弹性固体,揭示其结构和性能的关系具有重要意义。近年来,纳米压痕技术被广泛地应用于胶体、聚合物、生物组织等材料的力学性能表征。本论文基于纳米压痕实验方法研究了生的蛋壳膜的力学性能,主要研究内容有以下三个方面:(1)蛋壳膜弹性模量和硬度的准静态测试。本文基于连续刚度测试技术研究了蛋壳内膜和外膜的弹性模量和硬度随压入深度变化的规律;测试了蛋壳膜被压入某一深度时的应力-应变关系曲线,并分析了应变率对应力测试的影响;通过观察内膜与外膜的残余压痕形貌,揭示了内膜和外膜各自膜-基系统的变形机理;最终通过与文献和实验的结果对比,验证了蛋壳膜的弹性模量和硬度测试的准确性。(2)蛋壳膜蠕变和松弛性能的准静态测试。基于载荷和位移控制模式,分别对蛋壳膜的蠕变和松弛性能进行了纳米压痕测试,主要讨论了载荷和位移水平、加载速率和保持时间对粘弹性行为的影响;通过拟合实验结果,获取了蛋壳膜的蠕变应力指数、蠕变柔度、松弛模量以及平均孔隙尺寸;根据多孔弹性理论,解释了内膜和外膜的结构和粘弹性性能的差异性。(3)蛋壳膜粘弹性能的动态测试。采用正弦加载的方式,研究了内膜和外膜的储存模量、损耗模量以及损失因子随加载频率变化的规律;阐述了导致内膜和外膜的粘性阻尼特性差异的原因;讨论了位移水平和加载速率对动态测试的影响;确定了蛋壳膜的力学行为处在线性粘弹性范围内的极限深度与加载速率;获得了动态测试和准静态测试下的储存模量。研究表明,在干的状态下蛋壳外膜比内膜有较大的刚度和硬度;外膜展现明显的松弛行为,具有较强的抗蠕变变形的能力;内膜的粘性阻尼大于外膜;内膜和外膜的弹性行为均比粘性行为更突出。本文的工作对蛋壳膜材料的认知和仿生应用具有一定的参考价值。