指甲具有保护指尖、搜索和抓紧等功能,这些功能的实现依赖于指甲的结构和性能。然而,在实现这些功能的同时,指甲也承受到大量不同程度的变形和损伤。此外,水对指甲的性能有重要影响,同时也是其变形恢复的重要因素。因此,研究指甲的微观力学和摩擦学性能并考察水对上述性能的影响规律,不仅可以丰富生物摩擦学的理论知识,研究结果也对指甲的护理和仿生复合材料的研制具有重要的参考价值。本文首先利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDX)分析了指甲的微观结构和成分,进而利用显微硬度仪、纳米压痕／划痕仪(NHT/NST)和光学显微镜(OM),深入研究了指甲的微观力学和摩擦学性能以及变形恢复特性,并通过与鸡爪角蛋白进行对比,初步探讨了微观结构和水对于指甲性能的影响。通过研究,本文获得主要结论如下：1.水对指甲的力学性能有很大影响。水合条件下指甲的硬度较低,伴随着水合指甲中水分的蒸发,指甲的显微硬度在最初100 min内迅速增大,200 min后达到稳定值。最后,处于完全干燥状态的指甲的显微硬度达到水合状态下的2-3倍。另外,指甲的硬度在不同的方向上也表现出明显的各向异性,在完全干燥状态下,表面和横截面样品的显微硬度分别为156 MPa和205 MPa。2.由于指甲中间层中纤维的特殊排布取向,指甲横截面的摩擦系数表现出各向异性。无论是干燥样品还是水合样品,平行于纤维方向的摩擦系数都比垂直于纤维方向的低,但是前者的真实损伤比后者更严重。指甲中的水分由于降低了指甲的硬度,使划痕宽度增大,但是能够减小指甲表面摩擦力的波动,同时保护指甲表面免受划痕损伤。指甲油和护甲油在一定程度上能够保护指甲,但表现出较高的划痕摩擦系数。3.水对于保护指甲具有重要的作用。由于指甲的基质溶胀和纤维回弹,浸泡在水中10min以内,指甲的压痕和划痕变形均可恢复。相对于法向力,切向力更容易使指甲发生破坏。指甲不同截面上的变形恢复表现出明显的各向异性。表面上压痕和划痕的恢复速度最快,而纵截面上的最慢。4.鸡爪的外层为片状结构,内层为无定形组织,从外层到内层,S含量逐渐降低,纳米硬度和弹性模量也逐渐降低。结构和成分的不同导致指甲和鸡爪的力学性能和恢复特性都有较大差别,这是适应自然的结果。