克氏原鳌虾头胸部外骨骼微观结构和摩擦磨损特性

张智泓，张广凯，佟 金，赖庆辉，高旭航，唐 莹，Stephen Carr



克氏原鳌虾头胸部外骨骼微观结构和摩擦磨损特性

张智泓1,2，张广凯1，佟 金3，赖庆辉1，高旭航1，唐 莹4，Stephen Carr5

（1. 昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500； 2. 美国农业部农业应用技术研究中心，麦迪逊大街1680号，伍斯特 44691； 3. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130025； 4. 昆明医科大学电子显微镜实验室，昆明，650500； 5. 国际田间水土资源循环利用设施公司，塞勒姆印第安纳州 47167 美国）

为探索克氏原鳌虾()在泥浆中穿行的防黏耐磨机理，该文以克氏原鳌虾头胸部外骨骼作为研究对象，分析其无机元素含量和存在形态，观察其微观结构，并测量其硬度和弹性模量；对外骨骼进行摩擦磨损试验，考察其摩擦磨损特性，并观察磨痕的磨损形貌。试验表明，克氏原螯虾头胸部外骨骼中含有大量的钙元素，其中大部分以非晶结构存在，并含有少量碳酸钙；外骨骼表面具有凹坑、凸包和刚毛微观结构；螺旋夹板层具有蜂房结构，钙盐以针簇状分布在螺旋夹板层中；外骨骼硬度为0.503 GPa、弹性模量为18.019 GPa；摩擦因数呈跳跃式变化，最小时不足0.1，最大时接近0.8，属于磨粒磨损。研究结果为农业机械触土部件表面防黏、耐磨的仿生设计提供理论依据。

微观结构；摩擦；硬度；外骨骼；微观结构；弹性模量；摩擦磨损

0 引 言

具有优异特性的生物材料是自然界不断选择的结果，呈现出特殊的结构和形态特征，研究人员通过对生物体样本进行研究，以期发现解决工程中实际问题的方法。例如诸多植物的茎叶，动物的鳞片、骨骼等所特有的结构都具有传统材料无法比拟的优异特性[1-6]。委凯琪等[7]对具有较大咬合力的牛鲨牙齿进行摩擦试验，证实了其优异的耐磨特性，并观察到其内部具有条状纤维束和多孔微观结构；张成春等[8]基于毛蚶壳的表面形态和软硬相间的硬度分布特征，设计了形态、材料二元耦合仿生模型，仿生试样的耐磨损性能与光滑试样相比均有提高。在中国云南省黏重的红黏土中生存的克氏原螯虾（），属节肢动物门、甲壳纲，善于在湿黏的土壤中掘洞、穿行，在土壤中运动过程中能保持自身清洁、不黏土，且体表不易发生磨损。克氏原螯虾体壁坚硬，体壁起到类似于脊椎动物骨骼的支撑作用，所以称为外骨骼[9]，恶劣的土壤内部环境要求克氏原螯虾外骨骼在与湿黏土壤接触过程中，不仅能够减小黏附、降低阻力，而且具有优良的力学性能和耐磨特性，以更好地适应土壤内部环境。克氏原螯虾外骨骼具有防粘、耐磨等优异特性，所以一方面对其微观结构进行观察，探索其减黏降阻机理，为触土部件的仿生防粘几何表面设计提供依据；另一方面对其力学性能和摩擦磨损性能研究，探索其化学成分构成、纳米力学性能、摩擦磨损性能，为新型耐磨复合材料的研究提供仿生学基础。童华等[10]对虾壳、蟹壳的微观形貌和结构进行对比观察，发现蟹壳中以方解石晶型存在的碳酸钙分布在网状结构的有机质中，有机基质脱去蛋白后留下的甲壳质呈片层状结构。Raabe等[11-13]从结构和机械性能等方面对美洲螯龙虾（）的螯部进行了研究，指出其螯部具有螺旋夹板层和蜂房状结构，其机械性能具有突变性。吴志威等[14]对美洲螯龙虾的外骨骼的硬度和弹性模量进行了研究，表明其外骨骼具有优异的力学性能。

本文以克氏原螯虾外骨骼为研究对象，对其头胸部外骨骼的微观结构、纳米力学性能和摩擦磨损特性进行研究。通过X射线荧光光谱仪和衍射仪分析其无机元素成分和晶格形态；用场发射扫描电子显微镜观察试样的表面和截面的微观结构，并观察经HCl脱钙、NaOH脱蛋白质后的内部微观结构；结合纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对外骨骼的硬度、弹性模量和摩擦因数的测量结果，探索外骨骼元素成分和微观结构、纳米力学特性和摩擦特性的相关联系。根据摩擦磨损试验测得的摩擦因数，以及场发射扫描电子显微镜对磨痕的观察，探讨克氏原螯虾头胸部外骨骼与Si3N4陶瓷球的摩擦行为。综合对以上因素的研究，以期找出克氏原螯虾头胸部外骨骼减黏、耐磨功能的生物耦合机理，对农机具触土部件仿生防黏、耐磨材料的研制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从云南省昆明市郊区抓取克氏原螯虾（）成体，选取体长120 mm左右、体表呈暗红色的成熟个体作为研究对象。取洗净的克氏原螯虾的头胸部外骨骼，置于温度为45°的烤箱内烘烤12 h后取出，用研钵研成粉末，经200目过滤筛过滤后用于X射线衍射和荧光光谱分析。X射线衍射仪的射线源为CuK1，扫描范围20°～80°，步长0.02°，每步扫描8 s。

取克氏原螯虾外骨骼，用超声波进行清洗后，放入10%的甲醛溶液中固定24 h，然后分别用浓度为70%、80%、90%、100%的无水乙醇逐步脱水各24 h，之后在头胸部剪取3 mm×3 mm大小的样本[15]。选取3个较平整的样本，其中2个样品沿外表皮30°和90°方向截下[16]，得到一个斜截面和垂直截面，然后用导电胶将3个样品固定在载物台上用离子溅射仪进行20 s喷铂处理，用于场发射扫描电子显微镜的观察。取头胸部平整的2块样品，用树脂包埋固化、抛光处理后，制成待测样品，分别用于纳米压痕仪的测试和摩擦磨损试验[17-18]。

1.2 试验方法

用X射线荧光光谱仪（AxiosMAX，Panalytical公司，荷兰）和衍射仪，分析克氏原螯虾外骨骼试样的无机元素成分和化合物的存在形式，用场发射扫描电子显微镜（SEM，Nova Nano-SEM 450，FEI公司，美国），观察克氏原螯虾头胸部外骨骼表面和截面的微观结构。测量硬度和弹性模量时，纳米压痕仪（NANO G200，MTS公司，美国）的试验参数设置为压入深度2000 nm，压入速度10 nm/s，设置其摩擦载荷为5和10 N，保压时间为20 s，最大载荷60 mN[14]。沿头胸部外骨骼正面脊线选取5个测试点（间距为10 mm），每个测试点分别截取3 mm×3 mm试样。摩擦磨损试验机（J&L Tech公司JLTB-02型，韩国）使用直径为6 mm的Si3N4球磨，往复距离为5 mm，往复频率为2 Hz，时间设定为30 min[18-20]。摩擦磨损试验完成后，将试样固定于样品台，经脱水和喷铂处理后，使用扫描电子显微镜对样品磨痕进行观察，并对磨损行为及磨损机理进行分析。

2 结果与分析

2.1 克氏原螯虾头胸部外骨骼的成分组成及其微观形貌

节肢动物体壁主要由几丁质、鞣化的蛋白基质和无机盐组成[21-25]。X射线光谱分析试验表明，属于节肢动物门甲壳纲的克氏原螯虾头胸部外骨骼中钙的含量为36.39%（表1），而从X射线衍射分析图谱（图1）可见，扫描范围在28°～30°之间时，出现明确的CaCO3衍射峰，这表明虽然克氏原螯虾头胸部外骨骼中钙的含量很高，但大部分是以非晶结构存在，仅有少部分以方解石形态的CaCO3存在[10]。

表1 试样主要无机元素含量

图1 常温下外骨骼X射线衍射分析图谱

如图2所示，在克氏原螯虾外骨骼表面分布有凹坑和凸包结构，并且在凹坑和凸包的一侧存在有刚毛，使外骨骼的表面呈现出几何非光滑表面。这种非光滑的生物体表形态能够有效减小界面的接触面积，破坏水膜连续性，起到减小黏附和降低摩擦力的效果[26]。Ren Luquan等[17]根据蜣螂唇部结构设计了具有凸包结构的仿生推土板，证明了这种结构的减阻效果明显。克氏原螯虾体表呈现出的凸包凹坑和刚毛复合形态表面，为湿黏土壤中作业的农机具触土部件，提供了新的设计依据和思路。体壁结构如图3示出。从图3a可见，外骨骼由上表皮、外表皮和内表皮构成，其中上表皮之外极薄的层状结构，是皮细胞腺分泌的蜡质层。几丁质、有机基质蛋白质和非晶矿物质构成外表皮和内表皮，且主要以螺旋夹板形式存在，外层的螺旋夹板厚度小、质密。如图3b所示，在外表皮的外层，钙盐沉积层平行于外骨骼表面层叠生长，并以少量碳酸钙和大量非晶矿物形式存在。钙盐沉积层上密布孔道，螺旋夹板层与外骨骼表面平行，呈蜂窝状结构，在这些孔隙中有大量的蛋白质纤维纵横交错（图2c和2d），这些结构为营养物质在外骨骼内各层之间的传递提供条件。为了探索钙在螺旋夹板层中的存在形式，将试样进行了脱钙和脱蛋白处理观察，如图4a和4b所示，试样经脱钙以后出现镂空状结构，脱蛋白后钙盐以针柱状支撑结构存在。这表明在螺旋夹板中钙盐不是均匀分布的，而表现为像骨骼一样分布在螺旋夹板内，起到支撑作用，针柱状的结构又能与几丁质紧密连接，外表皮中螺旋夹板层钙的含量高于内表皮螺旋夹板层[14]，该结构形式使外表皮坚硬，可抵抗磨损；而内表皮黏弹性好，可抵御载荷、吸收能量。

图2 外骨骼表面微观结构

图3 外骨骼截面微观结构

图4 外骨骼脱蛋白质和脱钙后的微观结构

2.2 克氏原螯虾头胸部外骨骼的摩擦磨损特性

克氏原螯虾头胸部外骨骼质轻(2.431 g)、坚硬。纳米压痕仪测量结果表明，其硬度平均值达到了0.503 GP，弹性模量平均值为18.019 GPa（图5a）。纳米压痕试的验载荷-压痕深度曲线显示，载荷和压痕深度不是标准的线性关系，在加载阶段初期由于热飘移的影响，该段数据不作为有效数据采集，所以纳米力学硬度和弹性模量的测量值需选取稳定段数据的平均值。需要注意的是在卸载阶段，载荷降低到10 mN以内时，出现了2条平缓线段，说明在这个位置载荷降低到小于其能承受屈服应力以后，塑性变形恢复，表明该位置的螺旋夹板的生物黏弹性回复较好。

依据对鹿牙、獾牙、猪牙等的摩擦磨损试验设定的20 N法向载荷[27-28]，以及对节肢动物淡水龙虾鳌、淡水螃蟹鳌摩擦磨损试验设定的1和3 N法向载荷[14]，在该载荷之下样本摩擦因数变化规律无明显差异。而克氏原螯虾头胸部外骨骼样本极薄，仅有0.3 mm左右，本研究通过反复试验，为了即能够顺利完成试验、又能测试不同法向载荷下摩擦因数的变化趋势，选用5和10 N作为本试验的法向载荷。通过显微镜对2处磨痕进行观察，发现2处磨痕形态类似，磨痕都较浅；用扫描电镜对磨痕进行观察（图5b、5c），可以看到在犁沟内都有裂纹出现，随着摩擦行为的持续，产生片状剥落。当最外层极薄的蜡质层被磨穿以后，Si3N4球与上表皮的钙盐沉积层对磨，使平行于外骨骼表面层叠生长的钙盐层受到反复挤压，出现裂纹和大片剥落并有犁沟（图5d）出现，经长时间反复挤压对磨，形成的细小磨粒能够在凹凸不平的摩擦面发生滚动，从而降低磨损。将本试验与天然竹材的磨损试验进行比较，竹材结构大体可按厚壁细胞和薄壁细胞加以区分，其中薄壁细胞为竹材的基体，而厚壁细胞即竹纤维为竹材的增强体，当竹纤维与滑动界面处于垂直方向时，试样表面层一定深度的基体组织被首先磨去，使纤维端头突出于基体之上，形成一种具有非光滑特征的磨损表面几何形态[1]。克氏原螯虾外骨骼结构与天然竹材结构具有相似性，在与螺旋夹板层发生摩擦行为时，由于几丁质与针柱状沉积的钙盐摩擦特性不同，耐磨性差的几丁质首先被磨掉，针柱状沉积的钙盐在机体上突出，形成非光滑的摩擦面。这种非光滑特征的磨损表面几何形态是在摩擦磨损过程中形成的耐磨形态，细小的磨粒易于在这种非光滑的表面滚动使磨损减少[29-33]，因此试样能表现出良好的摩擦磨损特性。

图5 外骨骼的力学特性和磨损表面形貌

如图6所示，在正压力为5和10 N载荷下，直径为6 mm的Si3N4球对磨试样的表面。从图6a摩擦因数随时间变化的趋势可知，在摩擦行为的初期，摩擦因数较小（小于0.1），随着时间的增加，摩擦因数逐渐变大，且在0.4到0.8之间规律波动，该现象的原因是由于在摩擦初期，Si3N4球与外骨骼上表皮的蜡质层接触，蜡质层致密，表面较光滑，粗糙度小，所以摩擦因数较小。随着蜡质层的磨穿，摩擦系数迅速增加，此时Si3N4球与外表皮的钙盐沉积层对磨，由于钙盐沉积层平行表面层叠生长、且内部布满孔道，当Si3N4球在钙盐沉积层滑动时，钙盐层不断有小片剥落下来，对Si3N4球的滑动起到一定的黏滞作用，滑动过程中还要不断跨越密布的小孔，导致滑动摩擦行为不能连续，使得摩擦力有所增大且规律波动。摩擦因数达到峰值以后整体出现下降趋势，是因为剥落的小片被反复研磨成细小的颗粒在摩擦面发生滚动，使摩擦力减小。当摩擦行为进行到螺旋夹板层时，螺旋夹板层的蜂房结构仍然使Si3N4球和摩擦面不能形成有效连续的滑动摩擦而产生稳定的摩擦力，致使摩擦因数仍然在一个区间内跳动，但是相比之前又有所下降，这与螺旋夹板层中钙的存在形态有一定关系，图4b显示钙在螺旋夹板层中呈针柱状存在并与几丁质紧密连接在一起。当Si3N4球与螺旋夹板层对磨时，相对柔软的几丁质被首先磨掉，使针簇状的钙盐突出于摩擦表面，形成具有非光滑特征的磨损表面几何形态。随着摩擦时间的推移，剥落下来的片状钙盐受到反复研磨，颗粒粒径不断减小，这些细小的颗粒能够起到润滑的作用，使摩擦系数有所降低。

图6 载荷为5和10 N时外骨骼与Si3N4球的摩擦特性

载荷为10 N时，图6b所示，摩擦时间在0~500 s，摩擦因数较图6a略小，经过500s以后摩擦因数跳动区间开始明显呈变大趋势，较小的摩擦因数在0.3左右浮动，较大的摩擦因数在0.7左右浮动，造成该现象的原因是载荷增加随着摩擦行为的深入，对螺旋夹板层的磨损较为严重，螺旋夹板层中钙的含量及分布不均匀，外表皮螺旋夹板中钙盐成分高于内表皮，使得在钙盐含量少的位置摩擦力增大，进而使摩擦系数变大；在钙盐堆积的摩擦位置，由于细小磨粒的滚动，摩擦因数变小。在摩擦刚开始时，由于致密蜡质层的存在，摩擦因数较小，仅为0.1左右，随着蜡质层的磨穿，因为外骨骼螺旋夹板层的特殊的结构，摩擦因数在一定区间范围内出现波动的情况。此外，观察到摩擦系数的波动有规律性，根据Raabe等[11-13]建立的美洲龙虾()螯部外骨骼微观结构模型，提出螯部外骨骼微观结构具有纤维绕向和分层多孔的结构特性，蛋白纤维沿法线方向旋转180°且呈周期性叠积，旋转形成螺旋夹板结构，使摩擦系数周期变化。

2.3 讨论

克氏原螯虾（）粗大的头胸部外骨骼起到保护和支持体内主要柔软器官的作用，并且是体表与土壤接触面积最大的部位，在适应生存环境过程中发挥重要的作用。克氏原螯虾头胸部外骨骼具有减黏降阻的功能，使其能在泥浆中自由穿行；优良的耐磨特性，以保证外骨骼的结构完整。非晶的矿物质构成了克氏原螯虾的头胸部外骨骼的矿物相，其中含有少量的碳酸钙存在。这些矿物相主要存在于钙盐沉积层和螺旋夹板层中，在钙盐沉积层中呈均匀分布且平行于外表面层叠生长，而在螺旋夹板层中呈不均匀分布，如针柱状穿插于螺旋夹板层之中。外表皮和内表皮由螺旋夹板层组成，螺旋夹板层由壳质-蛋白纤维和无机盐构成。螺旋夹板层的厚度由外层到内层递增，钙盐在螺旋夹板层中的含量存在梯度，外表皮螺旋夹板班层中钙含量高于内表皮[31]；螺旋夹板层还有多孔的蜂房结构，一些植物的细胞壁纤维素和致密的骨骼中都发现有类似的蜂房结构[32]，可有效增强其力学特性；螺旋夹板层的蛋白纤维束分布绕向不同，这种螺旋夹板层中钙盐和纤维束的各向异性，使外骨骼的外表皮有更好的硬度抵御外部载荷冲击，内表皮具有较好弹性，能有效吸收能量并防止裂纹的产生和扩散，使外骨骼具有良好的力学性能。

几丁质又称甲壳质、甲壳素，广泛存在于节肢动物的外壳，它的化学结构和植物纤维相似，因此也称为动物纤维。几丁质是一种高分子碱性多糖，本文从摩擦磨损特性方面对克氏原螯虾的外骨骼微观结构进行了分析，虽然几丁质-壳质蛋白基质和无机盐共同组成了外骨骼的结构，但是几丁质-壳质蛋白基质和无机盐是在构成许多个厚度不一的螺旋夹板层的基础上，堆叠形成外骨骼的结构，最外螺旋夹板层最薄，含无机盐钙最多，最内的螺旋夹板层最厚，而无机盐钙的含量最少[14]。外骨骼的钙盐沉积层上密布的孔洞和螺旋夹板层的蜂房多孔结构，使摩擦行为不能在一个稳定的条件下持续进行，导致Si3N4球与克氏原螯虾头胸部外骨骼对磨时，摩擦因数值在一个区间内呈现跳跃式变化。又因为钙盐在螺旋夹板层中分布不均匀，呈梯度存在，在磨损加剧后，摩擦因数逐渐有变大趋势。正是几丁质-壳质蛋白纤维与无机盐钙的特殊组合形式，使螺旋夹板层的功能有效分化，外表皮层抵御载荷，内表皮层吸收能量，形成最优结构以更好的适应土壤内部生存环境。当克氏原螯虾在湿黏土壤内部运动、与土壤相互作用时，其外骨骼表面的凸包、凹坑和刚毛耦合结构形成非光滑表面，有效减小了与泥浆的接触面积，破坏连续水膜，起到减黏和减阻的作用；当外部载荷对克氏原螯虾头胸部外骨骼进行挤压时，外表皮的钙盐沉积层和较薄的螺旋夹板层抵御冲击保证外骨骼不易发生变形，内表皮较厚的螺旋夹板层具有良好的弹性，吸收大部分冲击能量，能够减小冲击，内外表皮层协同作用达到保护自身的功能。外表面接触面积减小，外表皮和内表皮对外界载荷的抵御和缓冲作用，使外界载荷对外骨骼的垂直正压力减小，而上表皮致密的蜡质层摩擦因数较小，使外骨骼能够起到耐磨的效果。

成熟的克氏原螯虾约每3 a换壳1次，日常活动中造成的体表损伤，可在新陈代谢作用下不断的更新和修复。Johnson等[33]提出，节肢动物体表发生损伤后，体表产生表皮碳氢化合物,并通过蜡质通道输送到角质层表面，这些脂质通过扩散填补由磨损引起的划痕和犁沟，重新密封角质层。体表从磨损中恢复的能力取决于磨损的程度，以及损伤是限于表层还是延伸到角质层。节肢类动物体表损伤后，一般修复机制3 h内被触发，修复过程约14 h。然而，土壤洞穴动物生存于恶劣的土壤内部磨损环境，因生存需要，不断地挖掘洞穴和在土壤内部穿梭，体表反复持续与土壤颗粒接触，其体表损伤的修复因此而减缓，且损伤后的体表只能部分恢复，很少完全修复。因而土壤动物在进化压力作用下，形成了耐磨性能优异的体表，对具有优异特性的生物体表面开展摩擦试验，可以为仿生耐磨表面的研发提供理论依据。

3 结 论

1）通过X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析和观察了克氏原螯虾()头胸部外骨骼的成分组成和微观结构。试验表明：蜡质层、层叠生长的钙盐层和多孔蜂房结构的螺旋夹板层共同构成了其外骨骼的表皮，表皮表面具有凸包凹坑刚毛复合形态。其中外表皮致密、坚硬能够抵御外部载荷，内表皮有弹性可以吸收外部能量。

2）克氏原螯虾头胸部外骨骼的的力学性能良好，硬度为0.503 GPa，弹性模量为18.019 GPa。

3）克氏原螯虾头胸部外骨骼与Si3N4球对磨初期摩擦因数最小，其上表皮的蜡质层光滑、致密、耐磨性好，但是极薄，比较容易被破坏。随着摩擦时间增加，摩擦因数值发生了跳跃性变化，在钙盐沉积层和螺旋夹板层表面布满了孔洞，使之不能产生连续的滑动摩擦导致摩擦因数值变大；而连续滑动摩擦时，摩擦面细小磨粒的滚动能有效的减小磨损，这时摩擦因数值能保持稳定。但是载荷增大以后，磨损的深度有所增加，加之钙盐在螺旋夹板层的梯度分布，使摩擦因数值有所增加，摩擦因数的跳动区间扩大。

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Microstructure and tribology characteristics of head and chest exoskeleton of

Zhang Zhihong1,2, Zhang Guangkai1, Tong Jin3, Lai Qinghui1, Gao Xuhang1, Tang Ying4, Stephen Carr5

(1.650500;2.168044691;3.130025; 4.650500; 5.47167)

has remarkable ability to burrow and move efficiently underground through a range of harsh and paddy soil environments. To investigate the friction and wear behavior of,its head and chest exoskeleton were chosen as the object of this study. The content and presence of inorganic elements in exoskeleton were analyzed by X-ray fluorescence spectrometer (AxiosMAX, PANalytical, Netherland) and X-ray diffractometer. The microstructure of the exoskeleton of the head and chest was observed by field emission scanning electron microscopy (NovaNano-SEM450, FEI, USA). The hardness and elastic modulus of the thoracic and lateral exoskeleton were measured by nanoindentation system(NanoindenterG200-MTSNanoInstruments). The JLTB-02 friction and wear tester (JLTB-02J<ech, Korea)was used to carry out friction and wear test. The tribological characteristics of the exoskeleton were investigated. Meanwhile, the wear morphology of the wear marks was observed by field emission scanning electron microscopy. The test result showed that its head and chest exoskeleton contain abundant calcium, and most of them are present in a form of amorphous structure and with a small amount of calcium carbonate. The surface of head and chest exoskeleton had a concave and convex hull bristle microstructure. Its exoskeleton was composed of upper epidermis, outer epidermis and inner epidermis. The upper epidermis was made up of thin waxy layers. Calcium salt deposits and crustacean protein fibers constituted the outer and inner epidermis, and the outer epidermis and the inner epidermis were in the form of twistedplywood. The needle-like calcium salt was unevenly distributed in a spiral splint, similar to a bone structure. The hardness of the exoskeleton was 0.503 GPa and the elastic modulus was 18.019 GPa. The twistedplywood had good scalability. After the load was unloaded, the twistedplywood could be well restored. There were many abrasive grains in the furrow at the wear location of the specimen. This showed that the friction behavior is abrasive wear. The friction factor showed a leaping change, the minimum friction factor was less than 0.1, and the maximum value was around 0.8. Many pores were distributed over the calcium salt deposits and the twisted-plywood. The main function of these pores was to deliver nutrients. When the Si3N4 ceramic ball and the exoskeleton rubbed against each other, the continuous sliding friction behavior was interrupted and mitigated by these pores. As the sliding friction behavior continued, the chitin in the spiral plywood was quickly worn away. The needle-like calcium salt was exposed to the friction surface. A non-smooth characteristic of the wear surface geometry was formed on the friction interface. Small free abrasive particles couldeasily roll on the non-smooth surface with less resistance. Therefore, the friction was reduced and the friction factor showed a jumping change. This research can provide a bio-inspired basis for the innovative design of agricultural composite materials and anti-friction surface of soil-engaging components. In addition, the experiment data can provide theoretical basis for the study of the tribology properties of soil animal exoskeleton in the future by observing the microstructure and analyzing the friction properties.

microstructure; friction; hardness; exoskeleton; micro-structure; elastic modulus; friction and wear

张智泓，张广凯，佟 金，赖庆辉，高旭航，唐 莹，Stephen Carr. 克氏原鳌虾头胸部外骨骼微观结构和摩擦磨损特性[J]. 农业工程学报，2018，34(7)：52－58. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.007 http://www.tcsae.org

Zhang Zhihong, Zhang Guangkai, Tong Jin, Lai Qinghui, Gao Xuhang, Tang Ying, Stephen Carr. Microstructure and tribology characteristics of head and chest exoskeleton of[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 52－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.007 http://www.tcsae.org

2017-09-00

2018-02-02

国家自然科学基金青年基金项目（51605210）；云南省科技计划项目青年项目(2015FD011)；昆明理工大学引进人才科研启动基金项目(14118940)；昆明理工大学分析测试基金（2016T20140038, 2017M20162214015）；昆明理工大学大创训练计划项目（201610674069）。

张智泓，白族，云南大理人，讲师，博士、博士后，从事农机具触土部件仿生优化研究。Email：zzh_0822@hotmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.007

TB17

A

1002-6819(2018)-07-0052-07