典型土壤动物体表形态减粘脱土的初步研究

土壤动物的不粘土特性,对于地面机械减粘脱土的仿生研究具有重要意义。本文利用实体显微镜和扫描电镜对典型土壤动物穿山甲、蝼蛄、蚂蚁和蜣螂等的体表形态进行了观察研究。结果表明,上述土壤动物具有类似波纹状的体表结构,并用波形表面模型进行了减粘脱土的机理分析。     

土壤粘附仿生研究(二) 典型土壤动物体表形态减粘脱土的初步研究

土壤动物的不粘土特性,对于地面机械减粘脱土的仿生研究具有重要意义。本文利用实体显微镜和扫描电镜对典型土壤动物穿山甲、蝼蛄、蚂蚁和蜣螂等的体表形态进行了观察研究。结果表明,上述土壤动物具有类似波纹状的体表结构,并用波形表面模型进行了减粘脱土的机理分析。     

危害烟草的主要金龟甲生物学特性及综合防治

介绍了云南省烟草生产上常见的三种金龟甲：码绢金龟甲（Madadera sp．）、棕色金龟甲（Holotrichia fitanis Reitt）、铜绿丽金龟（Anomala corpulenta Motschulsky）的分部与危害及形态特征、发生特点及防治措施。     

仿生结构异质复合材料界面无损检测及拉剪性能试验

仿生结构异质复合材料复合界面缺陷及强度对其在工程上的应用具有极大的影响。为了探讨仿生结构异质复合材料结合界面无损检测技术及其抗拉剪性能,该文以海豚皮肤结构为仿生蓝本,采用仿生相似性原理,以硬度值为A80的聚氨酯做面层材料,以灰口铸铁作为基底材料,并在基底加工仿生形态,采用浇铸高压定型复合法进行仿生形态异质复合材料的制备。采用超声波无损检测方法对这种复合结构界面进行无损检测研究。得出利用双探头,采用一收一发的方式对其检测效果较好,并通过制备试样的拉剪性能试验对无损检测方法进行了验证。利用二因素三水平正交试验优化设计对该材料的结合界面抗剪性能进行试验研究。试验结果表明,在复合界面不存在缺陷的前提下,影响聚氨酯/铸铁仿生形态异质复合材料的抗剪性能的主次因素分别为复合界面的形态,面层材料的配比。在面层材料的配比为100∶12时,复合界面为仿生形态时,其最大抗拉剪力可达到1 233.83 N。该研究为此种复合材料在工程上的实际应用提供了参考。     

理化预处理麦秸改善其聚丙烯复合材料抗霉菌腐蚀力学性能

为探讨麦秸秆不同处理方法对其制备的聚丙烯（polypropylene,PP）复合材料耐霉菌腐蚀性能影响,采用NaOH、HAc、水热、微波4种方法对麦秸秆纤维进行表面预处理,并对未处理和4种处理麦秸秆制备的复合材料进行霉菌加速腐蚀试验,测试了5种复合材料腐蚀前后的力学性能、颜色变化和吸水性,用傅立叶红外光谱分析其官能团的变化,观察并分析复合材料表面霉菌生长情况及表面微观结构。结果表明：霉菌能腐蚀麦秸秆纤维中的纤维素、半纤维素和木质素,使复合材料表面产生裂纹和孔洞,预处理可改善麦秸秆纤维和PP基体间的界面结合,有效地阻止霉菌腐蚀复合材料中麦秸秆的纤维素、半纤维素和木质素,其中5%NaOH预处理效果最佳,其弯曲强度、拉伸和冲击强度分别比未处理的提高了1.68%、3.67%和75.28%,吸水率和色差值降低12.99%和55.25%,经预处理麦秸秆制备复合材料腐蚀后表面裂纹和较大孔洞减少。该研究结果可为提高木塑复合材料防霉效力提供试验数据和理论参考,有利于延长木塑复合材料使用寿命。     

致灾农业昆虫捕集滑板表面结构仿生构建与性能验证

致灾农业昆虫光电诱导滑移捕集技术中,致使昆虫产生良好滑移行为的捕集滑板是获取该技术高效应用的关键。红瓶猪笼草(Nepenthes alata)叶笼滑移区依靠特殊形貌对昆虫附着系统表现出显著滑移功能,为致灾农业昆虫捕集滑板的研制提供了仿生原型。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)与三维白光形貌干涉仪(scanning white light interferometer,SWLI)对滑移区表面微形貌进行观测分析并获取三维结构参数,据此构建了致灾农业昆虫捕集滑板表面结构的仿生模型;采用激光微纳加工技术和高压静电吸附技术实现捕集滑板的仿生制备。为验证仿生制备致灾农业昆虫捕集滑板功效,测试了蝗虫(Locusta migratoria manilensis)在捕集滑板和仿生原型的附着力,结果分别为(402.9±26.1)m N和(361.9±25.5)m N,相近的附着力预示研制的致灾农业昆虫捕集滑板具有与仿生原型类似的性能。     

采用改进YOLOv4-Tiny模型的柑橘木虱识别

黄龙病是一种以柑橘木虱为传播媒介的毁灭性病害，其关键预防措施是在果园现场环境对柑橘木虱识别监测，辅助果农进行早期防治。该研究基于YOLOv4-Tiny模型提出一种适用于嵌入式系统的柑橘木虱识别模型。通过改进YOLOv4-Tiny模型的颈部网络，利用浅层网络的细节信息以提高模型识别柑橘木虱的平均精度；采用交叉小批量归一化（Cross mini-Batch Normalization，CmBN）方法代替批归一化（Batch Normalization，BN）方法，通过累计卷积层的输出，提升统计信息的准确度；针对柑橘木虱易被遮挡的问题，模型训练时使用Mosaic数据增强，提升模型对遮挡目标的识别能力。通过自行建立的柑橘木虱图像数据集完成模型的试验验证。结果表明，该模型的柑橘木虱平均识别精度为96.16%，在图形处理器（Graphics Processing Unit, GPU）上的推理速度为3.63 ms/帧，模型大小为24.5 MB，实现了果园环境下快速准确地识别柑橘木虱，可为黄龙病防治技术的进一步发展提供参考。     

黏重黑土条件下马铃薯挖掘铲仿生减阻特性分析与试验

针对黏重黑土地区马铃薯挖掘铲挖掘阻力大、能耗高等问题，以白茅根膜质叶鞘为仿生原型，设计了一种基于仿生波纹结构的马铃薯减阻挖掘铲。基于离散元（DEM）法仿真和土槽试验，确定减阻性能最优的设计参数；通过田间试验以油耗和阻力为指标验证仿生挖掘铲的减阻效果和挖掘性能。离散元仿真得到仿生挖掘铲最佳布置方式为纵向布置；在相同纵向布置方式下，通过土槽试验得到仿生挖掘铲的波纹参数在幅值为2.5 mm、频率为0.5时表现出较为优异的减阻性能。根据最佳参数研制仿生纵波纹铲，进行普通平铲和仿生纵波纹铲的作业对比试验，结果表明仿生纵波纹铲阻力减少了14.45%，单位油耗减少了17.15%。研究表明仿生纵波纹铲具有较好的减阻特性，仿生结构设计合理，能实现黏重黑土条件下马铃薯收获挖掘作业，可为整机节能减耗的研究奠定基础。     

形态/材料耦合仿生功能表面减阻特性及机制

模仿海豚皮肤特殊结构的形态/材料耦合仿生功能表面可有效降低流体机械表面阻力,是流体机械实现节能减排的研究热点。该文采用流固耦合模拟技术,针对上述功能表面的面层材料及基底仿生形态2种耦合因素,各取3种不同的数值模型,对其减阻特性进行研究。计算结果表明:面层材料的弹性模量及基底仿生形态的间距对其减阻特性影响较大;面层材料的弹性模量越小,其顺应流体介质的能力越强,减阻效果越好;基底仿生形态的间距对于黏性阻力的影响效果显著,当间距为2 mm时,其减阻效果最好。减阻机制主要体现为:仿生耦合功能表面面层材料的弹性变形导致其实际流固接触界面与流固耦合界面产生分离,使其表面速度梯度降低,从而实现表面摩擦阻力的降低。     

牛鲨牙齿微观结构组成和摩擦磨损特性

为研究牛鲨咬合力大的原因,并以牛鲨牙齿为原型设计仿生刀具,以牛鲨上颌齿和下颌齿为研究对象,利用扫描电子显微镜观察牛鲨牙齿的微观结构,利用能谱仪测试牙齿的元素组成。采用微观摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,考察了牛鲨上颌齿、下颌齿的摩擦学性能,通过激光共聚焦扫描显微镜测量磨损深度,利用扫描电子显微镜观察牛鲨牙齿的磨损形貌。试验表明:釉质层由条状纤维束形成致密的结构,本质层为多孔结构,孔径范围在3~20μm,这些孔洞呈不规则的排布;能谱仪测试结果中,牛鲨牙釉质比牙本质中Ca、F含量高,氟和钙的组合效应可以帮助其在生存环境下有更好的耐酸性和硬度。牛鲨上下颌齿牙釉质磨斑表面有片状磨屑剥落,且有大量的细小磨粒,上颌齿磨损体积约为1.72×10~7μm~3,主要是磨粒磨损;下颌齿出现明显裂纹,磨损体积约为2.11×10~7μm~3,比上颌齿的磨损体积大。上述结果为新型刀具的仿生设计提供理论依据。     

角蛋白材料结构与力学特性研究进展

天然生物材料精巧的结构和独特的功能为许多工程技术问题的解决提供了仿生学基础。人们在不断地寻求仿效对象，以期基于生物系统发展工程技术系统。角蛋白材料作为一类具有从纳米到厘米尺度上分级结构的天然生物复合材料有着与其它天然生物材料不尽相同的结构和功能，对其结构乃至超结构进行研究，探索其力学行为的微观机理，对于包括农业工程在内的众多工程领域中仿生材料和仿生系统设计具有重要意义。该文对蹄壁角蛋白、羽毛角蛋白、毛发角蛋白及爪子角蛋白材料的结构及力学性能和角蛋白材料的分析方法进行了综合评述。     

植物纤维及其增强复合材料的研究进展

简要介绍了植物纤维主要组成成分，植物纤维复合材料的发展历史和应用领域。分别阐述了竹纤维、剑麻纤维、秸秆纤维及木质材料中的纤维的化学组成及结构，以及其增强复合材料的制备方法、研究现状及研究成果。针对现有植物纤维复合材料研究中存在的问题，提出了利用TRIZ理论进行计算机辅助创新设计、发展植物纤维编织及混杂工艺、提高植物纤维与树脂间相容性及复合材料降解性能、大力发展农业生物纤维复合材料等方面的未来发展方向。     

四种植物纤维粉/聚丙烯复合材料应用性能

为了充分利用农作物及农业废弃物中的植物纤维,研究环境友好材料,研究了4种植物纤维粉/聚丙烯复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量等力学性能,并对其吸水和热变形性能进行了分析。结果表明：麦秆粉与稻壳粉混合纤维粉填充聚丙烯时,复合材料有较好的性能;稻壳粉、混合纤维粉及松木粉分别填充聚丙烯复合材料的拉伸强度和弯曲强度相差不大;竹粉填充聚丙烯复合材料的力学性能较低,吸水性及加热后尺寸变化率较大,综合性能较差。稻壳粉与聚丙烯相容性较好,竹粉和松木粉与聚丙烯的相容性较差。稻壳粉、混合纤维粉能与聚丙烯制备性能较好的木塑复合材料。     

销栓型竹-混凝土组合结构的力学性能

为了研究销栓型竹-混凝土组合结构的组合效应,进行了竹-混凝土剪力连接件与竹-混凝土组合梁的力学性能试验与理论分析。研究结果表明:销栓型剪力连接件承受荷载时表现出较大的滑移变形能力,属于延性破坏,对于3个具有相同参数的销栓型竹-混凝土剪力连接件,其荷载-滑移曲线变化趋势具有较好的一致性,荷载-滑移曲线表现为弹性、弹塑性、完全塑性3个阶段;竹-混凝土组合梁的破坏模式表现为竹梁底部的竹纤维断裂,在加载后期,截面的界面上、下存在应变差,表现出部分组合界面滑移的特征,组合梁相对于对比竹梁,其极限荷载提高了89%,对应跨中位移为跨度1/250时的荷载提高了274%,归因于竹材和混凝土共同工作形成了组合截面,其承载力和截面刚度大幅度提高。基于试验结果,提出了销栓型剪力连接件荷载-滑移曲线模型,能够描述荷载-滑移曲线3个阶段的明显特征,可用于该类型竹-混凝土组合梁受力全过程的精细化数值分析,考虑剪力连接件的剪切滑移刚度,建议采用等效截面刚度法预测竹-混凝土组合梁的位移。结果表明,将等效截面刚度折减0.8的系数,荷载-位移曲线计算结果与试验结果吻合较好,研究成果为新型竹-混凝土组合结构的设计与应用提供参考。     

玄武岩纤维布/不饱和聚酯复合材料耐老化性能

为探明玄武岩纤维/不饱和聚酯(UP,unsaturated polyester resin)复合材料的耐候性和力学性能,通过人工模拟加速气候箱对复合材料进行紫外光和冷凝处理,并测试、分析老化前后复合材料的力学性能、微观结构及化学结构的变化。力学性能测试发现,老化后的复合材料力学性能下降明显,拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和弹性模量与未老化相比分别下降了35%、20%、60%和52%。扫描电子显微镜(SEM,scan electron microscope)观察老化前后的复合材料,发现包裹在纤维周围的树脂逐渐脱落,基体降解并产生碎片和横向裂纹并不断扩展形成多级开裂。傅立叶红外光谱分析(FTIR,Fourier transform infrared spectrum)测试发现,老化后的复合材料在1 725 cm-1处的酯羰基吸收峰减弱,1 280和1 130 cm-1处酯基消失;同时,在747和702 cm-1处的邻苯型1,2-二取代吸收峰也消失。研究结果表明,不饱和聚酯上的羰基与双键或苯环上的羰基共轭体系发生变化,使酯羰基分解产生CO;同时,聚酯发生链断裂、自由基终止等交联反应。玄武岩纤维/UP复合材料的耐老化研究有利于延长该产品的使用寿命,对下一阶段制备玄武岩纤维/亚麻纤维混杂复合材料的耐候性和力学性能提供参考依据。     

Microbiological destruction of composite polymeric materials in soils

Representatives of the same species of microscopic fungi developed on composite materials with similar polymeric matrices independently from the type of soils, in which the incubation was performed. Trichoderma harzianum, Penicillium auranthiogriseum, and Clonostachys solani were isolated from the samples of polyurethane. Fusarium solani, Clonostachys rosea, and Trichoderma harzianum predominated on the surface of ultrathene samples. Ulocladium botrytis, Penicillium auranthiogriseum, and Fusarium solani predominated in the variants with polyamide. Trichoderma harzianum, Penicillium chrysogenum, Aspergillus ochraceus, and Acremonium strictum were isolated from Lentex-based composite materials. Mucor circinelloides, Trichoderma harzianum, and Penicillium auranthiogriseum were isolated from composite materials based on polyvinyl alcohol. Electron microscopy demonstrated changes in the structure of polymer surface (loosening and an increase in porosity) under the impact of fungi. The physicochemical properties of polymers, including their strength, also changed. The following substances were identified as primary products of the destruction of composite materials: stearic acid for polyurethane-based materials; imide of dithiocarbonic acid and 1-nonadecen in variants with ultrathene; and tetraaminopyrimidine and isocyanatodecan in variants with polyamide. N,N-dimethyldodecan amide, 2-methyloximundecanon and 2-nonacosane were identified for composites on the base of Lentex A4-1. Allyl methyl sulfide and imide of dithiocarbonic acid were found in variants with the samples of composites based on polyvinyl alcohol. The identified primary products of the destruction of composite materials belong to nontoxic compounds.     

水溶性聚合材料对土壤生物的影响

缓/控释肥料研制和应用已成为提高肥料利用率和降低环境污染风险的重要途径。通过田间小区试验,研究了5种具有代表性的缓释肥料包膜材料纳米-亚微米级水溶性聚合物,即纳米级聚乙烯醇混聚物（CF2）、纳米-亚微米级高岭土-聚酯混聚物（N-KL）、纳米-亚微米级腐植酸混聚物（N-FZ）、纳米-亚微米级丙烯酸酯类混聚物（N-BX）、纳米-亚微米级聚苯乙烯泡沫塑料混聚物（N-PS）,在降解释放过程中对土壤主要微生物、主要功能群以及具有代表性土壤动物群落影响。结果表明,不同水溶物聚合物对土壤生物的影响不同,与CK相比,5种水溶性聚合材料处理后细菌、放线菌、氨化细菌、硝化细菌、纤维分解菌种群数量分别增加1.08～2.34倍、0.37～0.96倍、0.3～2.17倍、0.52～1.15倍、0.03～2.45倍,其中腐植酸混聚物处理增加量最大;对真菌、固氮菌种群数量影响不大;对反硝化细菌种群数量有减少的趋势。5种水溶性聚合材料处理对土壤动物的线虫动物门、蜱螨目个体数分别增加15.16%～52.98%、12.33%～200%,其中腐植酸混聚物处理增加数量最多。     

适宜分散剂改善导水涂层材料中蒙脱土分散及吸脱附水性

添加分散剂可改善聚丙烯酰胺(poly acrylamide,PAM)/蒙脱土(montmorillonite,MMT)复合导水涂层材料制备过程中悬浮液浓度比例不均衡问题。该文研究添加分散剂聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)、十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)对导水涂层材料性能的影响。通过扫描电镜对流挂纤维束的成膜性、涂层的微观形貌结构进行分析;采用热分析仪及质量法分析材料的吸脱附水特征;利用红外光谱仪对材料的化学成分进行分析。结果表明:对于PAM与MMT质量比为1:10的复合导水涂层材料,加入与PAM质量比为1:0.20的分散剂PVA后其成膜性最好;3种分散剂均改善了MMT的分散性;该材料吸脱附水能力为PAM/MMT/SDSPAM/MMTPAM/MMT/PVPPAM/MMT/PVA复合材料,在约110 min时PAM/MMT/SDS材料的吸水率可达14 g/g,在100 min时其放湿量可达2.08 g/g;由复合材料的红外光谱分析可知并无新的物质生成,蒙脱土颗粒粘附在PAM和分散剂复合物内部网络结构支架上。该研究可为后续复合导水涂层材料成分比例精确选择提供参考。     

竹粉/不饱和聚酯复合材料力学性能与断面图像特征

为探明粒径对竹粉/不饱和聚酯复合材料力学性能的影响以及力学性能与拉伸断面图像特征之间的关系,采用平板模压法制备了竹粉/不饱和聚酯复合材料并测试了其力学性能,应用局部二元模式直方图的傅立叶特征算法提取复合材料拉伸断面电子显微镜图像特征。结果表明:与20～30目竹粉比较,>30～40目竹粉/不饱和聚酯复合材料的拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量分别提高32.9%、34.4%、25.4%;>100～120目的复合材料拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量则比>30～40目的分别降低10.6%、20.8%、12.9%;200目竹粉/不饱和聚酯复合材料的拉伸强度与弯曲强度比>100～120目的分别提高11.7%与18.3%。不同粒径竹粉复合材料拉伸断面图像特征存在差异,具有相似力学性能的复合材料断面图像纹理特征有一定相似性。本文通过拉伸断面图像特征来表征复合材料微观形貌与力学性能的差异,为建立复合材料断面微观形貌与力学性能之间的定量关系提供参考。