新型魚鱗甲仿生草魚魚鱗

 
2017/05/11 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館     265
 

中國、美國與日本的跨國團隊經由研究草魚(Ctenopharyngodon idella)魚鱗多級結構和力學性能,研發出超輕、高韌性、和柔性的仿生合成複合魚鱗,依此可設計兼具靈活性與防護功能的仿生多級結構防護裝備,例如魚鱗甲防彈衣、防彈插板、軍隊制服、護甲、頭盔,或是車輛、太空船保護層、運動護具等,研究成果於2016年3月在《材料與設計》(Materials and Design)期刊發表。

 

本種魚鱗是真皮演變的骨質鱗(bony scale),終生不更換、且可隨魚長大,由堅硬的骨質外層(成分為羥磷灰石,Ca5(PO4)3(OH))和柔軟的膠原纖維(collagen fibrils)內層(纖維片層依交錯角28-31度的固定偏轉角螺旋或正交排列交錯疊加)組成,骨質外層與膠原內層厚度比從魚鱗中心到邊緣逐漸變化,中心的厚度比約1:1,最大厚度0.40-0.45公釐。單片草魚魚鱗為半透明不規則六邊形,長、寬大致為25-30 ×23-32公釐,表面具有年輪般寬窄不一的同心圓環紋,形成光滑的明顯網線,前端斜插入真皮,遊離的後端圓滑,稱為圓鱗(cycloid scale),以覆瓦排列方式疊置於表皮,彼此間的相互覆蓋率約0.667,這種結構在被外力攻擊時能分散撞擊力量,有效擴散單片魚鱗壓力,減少損傷。

 

中國湖南大學朱德舉(Deju Zhua)教授領導的研究團隊,包括美國亞利桑那州立大學(Arizona State University)及日本東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)研究成員,他們測知草魚魚鱗與膠原內層的力學性能各為平面內各向異性和各向同性,脫水魚鱗(厚度0.22-0.29公釐)的彈性模量和拉伸強度分別為飽水魚鱗(厚度0.40-0.45公釐,含膠原內層厚度約0.10公釐)的10倍和3倍,但極限應變卻減少約50%,且飽水魚鱗和膠原內層的力學性能與應變率有很大相關性,穿透試驗結果顯示草魚魚鱗具有比聚苯乙烯、聚碳酸酯等人工合成聚合物更強的抗穿透力,單片魚鱗甚至能在骨質外層上形成十字形裂紋侷限破壞力量。

 

因此研究團隊採用輕量、高強度、和高彈性模量的高效防彈陶瓷碳化矽(SiC)模仿骨質外層,以較軟、易延展的輕質鋁合金(Al 6061-T6,密度為每立方公尺2,700公斤)當膠原內層,參考龍鱗甲(Dragon Skin armor)防彈衣(尖峰裝甲公司Pinncle Armor Company產品)內單片陶瓷圓形防彈瓦尺寸,製成每片半徑25公釐的圓形魚鱗,模仿草魚魚鱗結構和排列模式,每片魚鱗與模擬真皮層(鱗囊)的0.28公釐厚之凱芙拉(Kevlar®-49)織物共享一個節點連結固定,製成表層長、寬5x5合計25片魚鱗的整塊合成複合魚鱗。

 

考量影響仿生合成複合魚鱗的防彈性能包括魚鱗的陶瓷材料和厚度比、重疊率和角度、凱芙拉織物的疊層數、和子彈初始衝擊速度等四個因素,研究團隊將仿生魚鱗以不同組合的陶瓷材料、厚度比、重疊率、重疊角度、織物疊層數等製成整塊試樣進行測試。以LS-DYNA®軟體做穿透測試的數值模擬,並分析仿生魚鱗的殘餘速度(residual velocity)和穿透深度(depth of penetration,簡稱DOP)。

 

首先試驗碳化矽、碳化硼(B4C)、鋁鎳合金(AlNi)、和氧化鋁(Al2O3)四種輕質高硬度陶瓷材料的仿生魚鱗,結果顯示碳化矽的能量吸收率最高,因此碳化矽/鋁為最佳材質組合。碳化矽層越厚、抗穿透性越佳、但越重,鋁層太厚則降低仿生魚鱗的硬度和強度。當魚鱗厚度固定6公釐時最優,碳化矽/鋁的最佳厚度比為3:2,子彈穿透深度隨魚鱗厚度增加而降低;當厚度不變、碳化矽增多使魚鱗硬度和厚度比增大時,子彈殘餘速度和穿透深度隨之減少,殘餘速度也會隨厚度增加而減低。若魚鱗重疊越多、重疊角度越大,仿生魚鱗的變形越小,最佳重疊率為0.4,當重疊角85度,鋁層被子彈撞擊時僅呈現塑性變形、無穿刺破壞,且能量吸收效率隨重疊率增加而增大,魚鱗的變形會隨凱芙拉織物疊層數和魚鱗重疊率增加而減少;若以純碳化矽合成魚鱗為對照組,當子彈衝擊速度為每秒878公尺時,仿生魚鱗面積密度降低12.5%(即輕量化),仍具備相同防彈性能。

 

仿生合成複合魚鱗被子彈撞擊時,傾斜重疊的魚鱗使子彈滑動和偏轉導致動能減少,碳化矽外層先以脆性破裂吸收大部分子彈動能,殘餘穿透力和能量則由落點和鄰接魚鱗吸收而降低影響;若子彈穿透進入鋁內層時,會經塑性變形吸收殘餘能量並彈回,凱芙拉織物會保持魚鱗的移動性並重新分配衝擊能量,共同構成極佳的防彈機制。研究團隊根據試驗數據建立電腦模擬模型,未來可依需求開發不同的防護裝備量產運用。

 

(以上新聞編譯自2016年3月11日發行之Materials and Design期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 
 
  • 來源:
     
    • Liu, P., D. Zhu, Y. Yao, J. Wang, and T. Q. Bui. 2016. Numerical simulation of ballistic impact behavior of bio-inspired scale-like protection system. Materials and Design, 99(5): 201–210.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • 邵廣昭、陳靜怡。2003。魚類圖鑑:台灣七百多種常見魚類圖鑑。遠流出版事業股份有限公司。
    • 劉鵬、汪俊文、朱德舉。2016。草魚鱗片的多級結構及力學性能。複合材料學報。
     
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