在光电、电子、能源、机械、航空等众多工程领域,摩擦是表/界面接触的基本行为。由摩擦引起的磨损、温升、粘着和能耗等问题,对当今世界范围内的能源、环境、技术和经济层面有着巨大影响。据有关数据统计,单磨损这一项每年给人类带来的损失就达到了上千亿美元。解决好行业内普遍存在的摩擦磨损问题,对当今世界范围内的能源、环境、技术、经济都有着十分重大的意义。目前,由于种种原因,行业内解决这一问题的方法尚未取得很好的效果。寻找一种优良的抗磨新原理和新工艺已成为机械材料科学研究的热点和难点。本文以直翅目昆虫螽斯为研究对象,利用扫描电镜、体视显微镜和超景深显微镜对其表面形貌及微观结构进行了测试分析;利用红外光谱及X射线能谱研究了其化学成分和元素含量;利用纳米压痕仪测试了其力学性能;利用微观摩擦磨损实验机测试了其摩擦学性能。此外,利用有限元分析技术对螽斯翅膀和腿关节摩擦过程进行了仿真分析。主要结论如下:(1)通过对螽斯翅膀以及后腿关节的宏观形貌及微观结构的研究发现,翅膀音挫位于左翅腹面上部,由几十个音齿依次排列组成,音齿截面为非对称锯齿状结构;拨片位于右翅背面左上部边缘,黑色具有光泽,并具有螺旋状纹理结构。胫骨关节表面光滑,没有明确的纹理;股骨关节表面具有两种规律性的纹理结构:其一为周期性排列的细条状结构,其二为层层叠叠的条状覆瓦结构。(2)纳米压痕实验表明,在1200nm的稳定阶段,两组摩擦副中,音挫、胫骨相比拨片和股骨具有更大的硬度值和弹性模量值。对材料的化学成分分析表明不同部位的元素含量和分子组成含量存在着差异。这些差异是导致这些部位的摩擦表面具有不同力学性能(硬度、弹性模量)的原因。结合对微观结构的研究发现,胫骨-股骨摩擦副与音挫-拨片摩擦副均为坚硬的光滑表面与柔软的纹理表面组成的摩擦副,这种刚柔纹理组合形式具有良好的耐磨性能。(3)经过了两个月数千次的摩擦之后,螽斯翅膀的音齿结构完整,没有受到破坏。音齿具有明显的分层结构,表面层包裹着每个音齿的内层,能够抵抗磨损;中间层由超薄纳米层逐层复合而成,具有较高的韧性。螽斯音挫的层状结构使其既具有较高的表面硬度,又具有良好的延展性,这对于耐磨是有利的。音齿截面的非对称锯齿状结构,常见于生物摩擦系统中。翅膀发音时,拨片从陡峭侧向倾斜侧移动,产生的摩擦力较大,声音明亮,避免了施加更大的力进行摩擦作用,有利于耐磨;另一方面,不需要发声的回程阶段,拨片从倾斜侧向陡峭侧移动,摩擦力较小,磨损也较少。有限元分析表明,拨片从陡峭侧向倾斜侧移动时应力横向分布更加均匀,并且在陡峭侧相同深度处的应力值也比拨片从倾斜侧向陡峭侧移动时要小。这能够提高音挫的抗破坏能力以及耐磨能力。(4)摩擦实验测得胫骨-股骨摩擦副的平均摩擦系数为0.070,与工程领域产品相比,处于较低的水平。摩擦系数随摩擦速率的波动呈现出不规律的变化,随着加载力的增大而小幅升高。扫描电镜照片显示,不加入润滑剂的情况之下,经过100个摩擦循环之后,胫骨、股骨表面均未发现明显的磨损迹象,证明了胫骨-股骨摩擦副具有优异的耐磨性能。螽斯关节股骨的两种纹理结构,能够从微观角度减小与胫骨表面的实际接触面积,从而减小与胫骨光滑表面的粘附力来降低滑动时的磨损率,提高其耐磨性。股骨的多层复合结构能够在最外层提供坚硬的表面减少表面的磨损,与中间较软的层组合消散了整个结构应力。对胫骨-股骨摩擦副进行的有限元仿真分析表明,静态承压和动态摩擦时,胫骨应力分布均呈现出围绕几个点向外辐射的特点。静态承压时,股骨呈现出“凹”字形,应力分布均匀。动态摩擦时,胫骨侧面为接触面的情况下,股骨应力分布形状类似哑铃状。在股骨受到压力时,其独特的弧状构造能够将应力传递到两侧,避免了应力集中,对于腿关节耐磨是有利的。综上所述,螽斯腿关节及翅膀摩擦部位具有良好的耐磨特性,受到许多因素的影响,包括摩擦表面具有的特殊纹理结构,生物材料的多层复合结构,柔软的光滑表面与坚硬的纹理表面的组合,摩擦副组合表面的特殊形状对应力的分散等。以上所有因素的共同作用最终形成了螽斯翅膀及腿关节材料的优异耐磨特性。