□ 蔣鈺婷 □ 丁圓圓 □ 葉加健 □ 李鑫宇 □ 方澤輝 □ 周風華

1.寧波大學 沖擊與安全工程教育部重點實驗室 浙江寧波 315211 2.寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

1 研究背景

墨魚和魷魚、章魚、鸚鵡螺一樣,都屬于頭足綱,是一種會游泳的軟體動物。墨魚骨屬于一種退化的外骨骼,墨魚保留這個器官,主要是為了能在深海環(huán)境中調整浮力。 可以將墨魚骨看做是一種特殊的超輕、高剛度、高滲透性細胞生物材料,使墨魚得以在相當深的居住地中保持浮力[1-2]。另一方面,墨魚骨還提供了身體的結構骨干,在保護重要器官方面發(fā)揮關鍵作用。

墨魚骨有兩個主要成分,分別為背盾和板層基質。背盾非常堅硬致密,為板層基質提供剛性基體。板層基質的孔隙率極高,高達90%,同時能夠承受很高的靜水壓力。層板基質主要為文石,文石是碳酸鈣的結晶形式[3-4]。

墨魚作為深海生物,需要依靠墨魚骨的滲透作用在不同深度進行活動[5-6]。因此,單獨層的隔離非常重要,任何一層的破壞都不應淹沒整個墨魚骨,也不會影響相鄰層的滲透性。為了滿足在深海環(huán)境中的活動,墨魚骨進化出了特殊的微觀結構,包括腔室結構、水平隔膜、垂直支柱。

水平隔膜將墨魚骨分為獨立的腔室,這些腔室由具有波紋或波浪結構的垂直支柱支撐。垂直支柱的厚度因物種而異,但通常只有幾微米。水平隔膜通常比垂直支柱厚,并且由雙層結構組成。水平隔膜上層由垂直排列的晶體組成,下層由相對彼此旋轉的納米棒組成,這種微結構使墨魚骨的孔隙率高達 90%。

Yang Ting等[7]對墨魚在海洋中的活動深度進行了調研,發(fā)現墨魚大多數生活在100～600 m的海洋深度,也就是說在正常的情況下,墨魚需要承受1 MPa～6 MPa的圍壓作用。目前,關于墨魚骨動力學特性的研究數據大多來自機械檢測試驗研究,而且大多聚焦于單軸載荷作用下的試驗。由于墨魚骨在現實中常常同時經受多個方向上的復雜應力,因此僅僅深入研究墨魚骨在單軸壓縮應力狀態(tài)下的動力學特性是遠遠不夠的。

對于一種材料而言,圍壓的施加對其力學行為有顯著影響,研究者往往針對不同的材料設計不同的圍壓裝置進行試驗[8-10]。筆者針對墨魚骨設計了圍壓裝置,模擬深海環(huán)境壓力,從而研究墨魚骨在深海環(huán)境中的力學行為。

2 試樣制備

試驗所使用的曼氏無針墨魚一般盛產于浙江省西部沿海地區(qū)和福建省沿岸,所用墨魚的標準規(guī)格為胴體全長15 cm。墨魚的眼部為長圓形,后端近似圓形。墨魚骨為長橢圓狀,全長大約為寬的3倍,角質緣發(fā)育,后端無骨針。墨魚骨樣品都處于相當良好的狀態(tài),外部損傷小,如圖1所示。

圖1 墨魚骨樣品

由于墨魚骨的特殊性及高精度要求,加工墨魚骨試樣選用200YZ高精度切割機。選取墨魚骨樣品若干件,切割出邊長為10 mm的立方體形狀試樣,幾何尺寸誤差在5%以內。墨魚骨試樣如圖2。

圖2 墨魚骨試樣

對墨魚骨試樣進行表面干燥處理,需要在干燥過程中盡可能減小由于水分揮發(fā)產生的表面形狀扭曲,并需要保證表面完全干燥。為了避免取樣過程中試樣被污染而影響結果分析,用溶劑先對試樣進行超聲清洗,然后噴涂20 nm厚金鍍膜,并用導電膠牢牢粘住試樣,這樣能夠更好地保證試樣在抽真空時保持平穩(wěn),不漂移[11-12]。

采用掃描電鏡對墨魚骨進行掃描,墨魚骨掃描電鏡圖像如圖3所示。

圖3 墨魚骨掃描電鏡圖像

根據墨魚骨掃描電鏡圖像,壁厚為4 ～ 7 μm。觀察微觀結構,墨魚骨單胞寬約60 μm,高105 μm,單層板厚6 μm。墨魚骨總密度約為0.2 g/cm3,孔隙率高達90%。墨魚骨位于墨魚身體的背側,掃描電鏡觀察到的墨魚骨板層基質為呈層狀、細胞狀的準周期結構,由水平隔膜分為腔室,由垂直支柱支撐,均勻分布在每層中。

3 圍壓裝置

打開SolidWorks繪圖軟件,選擇繪制零件模式,依次繪制壓桿、緊固螺栓、密封圈、換氣孔、密封蓋、可視化玻璃窗口、進油閥,然后選擇裝配模式,對各個零件依次進行裝配,并選擇配合模式,設置材料的泊松比、密度等。選擇1/4剖視,能夠清晰看到圍壓裝置內部的裝配情況。圍壓裝置三維模型剖視圖如圖4所示。通過渲染模式,對圍壓裝置進行美化處理。圍壓裝置三維模型裝配圖如圖5所示。

圖4 圍壓裝置三維模型剖視圖

圖5 圍壓裝置三維模型裝配圖

導出計算機輔助設計圖紙進行加工,圍壓裝置腔室裝配實物如圖6所示。

圖6 圍壓裝置腔室裝配實物

(1) 壓桿。壓桿上端與材料試驗機接觸,直徑設計為10 cm,厚度為2 cm。壓桿下端與試件接觸,直徑為1.5 cm,長度為15 cm。為了減少試驗過程中因壓桿進入腔室體積變大導致的氣壓增大,壓桿的尺寸應盡可能小。

(2) 緊固螺栓。緊固螺栓孔位于密封蓋表面,呈環(huán)形分布。

(3) 密封圈。為了防止試驗過程中液壓油從壓桿和密封蓋之間溢出,在密封蓋中加入雙層密封圈,確保密封性。

(4) 換氣孔。試驗時,壓桿在壓縮過程中會擠壓空氣,增大氣壓。為了減小試驗誤差,加入換氣孔。當壓桿完全接觸墨魚骨試樣時,擰緊換氣孔。

(5) 密封蓋。密封蓋蓋板形狀為長方體,尺寸為15 cm×15 cm×4 cm,表面開有四個螺栓孔及一個換氣孔。

(6) 可視化玻璃窗口。為了能夠觀察墨魚骨試樣在圍壓狀態(tài)下破損的全過程,在腔室的兩側開孔,將可視化玻璃放入腔室內壁固定。試驗過程中油壓對可視化玻璃有向外壓力,由此提高了腔室的密封性。

(7) 腔室。為了保持圍壓裝置的一體化和密封性,對腔室采用了鑄造工藝,尺寸為15 cm×15 cm×15 cm。腔室要承受1 MPa～2 MPa的圍壓,將腔室厚度設計為2 cm。腔室的底部中央設有直徑為1.5 cm的平臺,用于放置墨魚骨試樣。

(8) 進油閥。進油閥位于腔室底部,一端連接腔室,另一端連接油泵。油泵具有穩(wěn)壓作用,通過進油閥進出腔室來實現腔室內的油壓穩(wěn)定。

圍壓裝置油泵裝配如圖7所示。由一體泵、60 A電子調速器、1 400 mA·h鋰電池、電子調速器控制器構成。一體泵的三相異步電機與電子調速器相連,電子調速器另一側與鋰電池、電子調速器控制器相連,形成回路。一體泵由油箱、壓力表、調壓鈕、注油口、回油口組成,利用電機帶動油箱內活塞往復運動,改變油箱內容積,以吸入或排出液壓油,達到穩(wěn)定腔室內油壓的目的。通過調壓鈕,可以設定試驗所需圍壓大小,并通過旋轉電子調速器控制器來調節(jié)電子調速器,進而控制進油速率。

圖7 圍壓裝置油泵裝配

4 試驗方法

在進行準靜態(tài)壓縮試驗時,采用載荷量程為±10 kN,位移量程為-75～75 mm的材料試驗機。這一材料試驗機集成了力傳感器、位移傳感器,可進行拉伸、壓縮、彎曲等力學性能測試,同時采集并記錄試驗過程中的力位移曲線。

每次壓縮均在特定的恒定加載速度下進行,以獲得在相應恒定標稱應變率下的力學性能,標稱應變率數值等于速度除以墨魚骨試樣的高度。在整個壓縮過程中,監(jiān)測并記錄實時負載與位移數據。試驗現場如圖8所示。

圖8 試驗現場

攝影設備選用高速攝影儀,外形尺寸為 29 mm×29 mm×30 mm,運行環(huán)境溫度為0～45℃,分辨率為 2 592像素×1 944 像素,可以實現高清實時攝影記錄墨魚骨試樣壓縮破碎全過程。

5 試驗結果

墨魚骨試樣在大氣壓和1 MPa 圍壓下的應力應變曲線如圖9所示。應力應變曲線可以分為三個階段。第一個階段為線性階段,加載開始時,應力與應變基本呈線性關系,隨后由于墨魚骨的彈性屈曲引起剛度減弱,導致曲線斜率逐漸減小,直至達到屈服應力,墨魚骨開始逐層坍塌。在第二個階段,隨著應變的增大,應力基本保持不變。試驗后期為第三個階段,應變繼續(xù)增大時,應力逐漸增大。

圖9 墨魚骨試樣應力應變曲線

當應變速率為 10-3s-1時,在1 MPa圍壓狀態(tài)下,墨魚骨試樣的初始壓碎應力為3.5 MPa,第二個階段平臺應力約為2.5 MPa,第二個階段應變范圍為0.1～0.6。在大氣壓狀態(tài)下,墨魚骨試樣的初始壓碎應力為1.02 MPa,第二個階段平臺應力約為 1.08 MPa,第二個階段應變范圍為0.12～0.78。試驗結果表明,在相同的應變率下,圍壓狀態(tài)下墨魚骨的屈服應力明顯增大。通過試驗證明墨魚在靜水壓環(huán)境下能夠更好地承受壓力。

6 結束語

目前,關于墨魚骨力學特性的研究,大多集中于單軸載荷作用下的試驗。但是,墨魚骨在現實中常常需要同時經受多個方向上的復雜應力,所以僅僅深入研究墨魚骨在單軸受壓極限狀況下的動力學特性是遠遠不夠的。

針對墨魚骨,筆者應用SolidWorks三維軟件設計圍壓裝置,導出為計算機輔助設計圖紙進行加工。圍壓裝置采用鋁合金材料,腔室部分為了保持一體性,采用鑄造工藝,壓桿和密封蓋采用車床加工[13]。為了在試驗過程中觀察墨魚骨試樣的破壞過程,在腔室側面打孔,裝上可視化玻璃。在密封蓋處加入換氣孔,由此避免因壓桿壓縮空氣導致腔室內氣壓升高帶來的試驗誤差。

試驗結果表明,墨魚骨試樣在大氣壓和1 MPa圍壓下的應力應變曲線分為三個階段,在圍壓狀態(tài)下墨魚骨的屈服應力明顯增大,由此證明墨魚在靜水壓環(huán)境下能夠更好地承受壓力,墨魚骨具有高強度、高剛度的特點。