蜘蛛丝的力学性能及其应用取向VIP专享VIP免费

F．bcrTec蜘蛛丝的力学性能及其应用取向摘要：蜘蛛丝由于其特有的力学性能及环保优势，专家们预测在未来的纺织应用领域将有相当的竞争力。文章介绍了蜘蛛丝的力学特征及其微观结构模型的研究进展，并在此基础上，结合防弹衣的性能要求，对蜘蛛丝在防弹材料方面的应用取向进行了探讨。关键词：蜘蛛丝；力学性能；应用中图分类号：Ts102．33文献标识码：A文章编号：1003—3025(2004)03—0032—040引言尽管早在1709年就出现了人类利用蜘蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮的瞄准系统等光学装置的十字准线⋯，但是有关蜘蛛丝结构与特性的研究直到20世纪70年代才开始受到关注。美国学者AndersenS0和DennyM分别于1970年和1976年发表了关于蜘蛛丝氨基酸组成以及力学性能的论文。随后，美军纳蒂克研究发展和工程化中心、美国DuPont(杜邦)公司、英国牛津大学、加拿大国防部及日本、德国、丹麦等国的科研机构纷纷开展了蜘蛛丝的研究。特别是进入90年代后，借助于先进的结构表征手段和生物技术，人们对蜘蛛丝蛋白基因组成、结构形态、力学性能等方面的研究得以不断深入，并先后实现蜘蛛丝蛋白基因在大肠杆菌体系[2】、酵母菌体系[3]以及哺乳动物(山羊)细胞体系【4】中的正确表达，为蜘蛛丝的商业化生产提供了可能性。蜘蛛丝成为关注焦点的主要原因在于其独特的力学性能。蜘蛛丝所特有的强伸性能和环保优势预示着一旦实现商业化生产，将有可能成为现有高性能纤维材料的有力竞争者，并在一些特殊用途上发挥作用。目前人们对蜘蛛丝的应用领域的预测，常以防弹衣等高强、抗冲击材料作为典型应用。已经有较多的文献【5】认为蜘蛛丝将在防弹衣上得到应用，并认为其强度与Kevlar纤维相似，模量达到Kevlar纤维的高强高模水平。但是，如果从弹道防护理论出发分析蜘蛛丝的力学性能，并从现有防弹装备所采用的高强高模纤维进行力学性能的对比分析，可知蜘蛛丝尚不符合作为防弹材料使用的性能要求。1蜘蛛丝的力学特征作者简介：黄献聪，女，1972年生，工程师，北京，1000883嚣解放军总后军需装备研究所黄献聪施楣梧1．1蜘蛛丝品种和力学性能的多样性蜘蛛在其整个生命历程中因生存需要或外界因素刺激能产生多种性能不尽相同的蜘蛛丝，分别由不同的丝腺分泌，经各自的微细管道，由喷丝口排出体外。由于丝腺数目的差异，不同种类的蜘蛛所能产生的蜘蛛丝种类数不尽相同。目前所知的蜘蛛中，有相当一部分具有6～7种丝腺，因此能产生6～7种不同的蜘蛛丝。这些蜘蛛丝通常根据其功能进行分类和命名，如：桥架丝是蜘蛛编网时产生的第1根丝，是整张网的构建骨架；粘丝(又称螺旋丝)上附有粘性的液滴，可以粘住落网的猎物；框丝是蛛网最外层的丝，它通过有粘性的附着丝与周围的树木等物体相连；牵引丝(又称命绳)，当蜘蛛遇险时，可通过它将自己吊到空中以逃避威胁[3]。其中牵引丝、框丝和粘丝担负着帮助蜘蛛逃生脱险和捕食充饥的责任，是蛛网中最为重要的组成部分。由于功能不同，上述蜘蛛丝具有不同的力学性能。图1、2分别是牵引丝和粘丝典型的应力一应变曲线[61】。不难看出，牵引丝表现出了较高的强度、模量和韧性，断裂强度高于0．8GPa；而粘丝的力学性能则类似于橡胶，属于低模高伸材料。应变／％图1牵引丝的典型应力一应变曲线纺织导报ChlnaText¨eLeader·2004No．3万方数据万方数据F．bGrTG(图2粘丝的典型压力一压变曲线1．2蜘蛛丝与其它高强纤维的力学性能对比在各种蜘蛛丝中，牵引丝具有最高的强度，框丝的力学性能接近于牵引丝。表1列出了络新妇属蜘蛛牵引丝及典型高强纤维的力学性能。可以看出，蜘蛛牵引丝的强力和模量远低于芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维，但断裂伸长大；随着拉伸过程中的延伸作用，蜘蛛丝具有很强的能量吸收能力。表1蜘蛛牵引丝与其它高强纤维的力学性能密度模量强度断裂伸长率断裂能／(g·cm3)／GPa，GPa／％，(J·k91)1．3蜘蛛丝的力学滞变性研究表明[8】，在对蜘蛛丝的一个“加载一卸载”周期中(图3)，由于蜘蛛丝所具有的粘弹性应力一应变机理，在蜘蛛丝因被拉伸而承受的机械能中，70％将以热量的形式散失。这一力学性能对于蜘蛛而言，具...