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本课题对两种典型的植物坚果果壳一莲子壳和栗子壳的结构和性能进行了研究,以其初步其在探索其在仿生方面的意义。
通过10%乙二胺软化法,成功完成对成熟坚硬的莲子壳和栗子壳内部显微组织的观察,发现二者都是层状天然生物复合材料,莲子壳的组织构成较栗子壳复杂。莲子壳具有独特的栅状细胞层;莲子成熟后表皮层气孔收缩程度比栗子壳大很多;莲子壳中纤维素含量远大于栗子壳。
本课题首次成功采用纳米压痕仪测试了莲子壳和栗子壳的纳米力学性能。二者的压入深度与压入时间、载荷与压入深度、硬度与压入深度、模量与压入深度、硬度与载荷、模量与载荷、接触刚度与载荷的关系曲线及拟合结果,均符合纳米硬度理论的幂律定律,说明纳米压痕测量植物坚果果壳的纳米力学性能是一种行之有效的方法。莲子壳所能承受的最大载荷及其硬度值、模量值分别是栗子壳的1.35倍、1.25倍和1.22倍。测试过程中,二者都发生了不同程度的蠕变,莲子壳抗蠕变性能优于栗子壳。
本课题分析了莲子壳和栗子壳在蒸馏水和PBS模拟体液中的吸湿行为和饱和后在空气中的脱湿行为,并对吸湿和脱湿过程进行了曲线拟合。吸湿过程符合Fick扩散第二定律,脱湿曲线可以用Page方程来拟合。
通过对莲子壳和栗子壳显微结构、纳米力学性能和吸湿性能的观察和对比,可以推断,由于莲子壳结构较栗子壳致密且含有大量纤维素,故其纳米力学性能和吸湿性能明显优于栗子壳。这对于仿生材料学有重要意义,有望应用于具有承载和隔绝使用要求材料的设计中。