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文檔簡介
1、竹材的力學(xué)性質(zhì)是竹材研究的主要方向,也是竹材加工利用的重要基礎(chǔ)。竹材是一種天然生物質(zhì)梯度復(fù)合材料,具有分級復(fù)合結(jié)構(gòu);其中空、壁薄、離散分布的竹節(jié)等外觀形態(tài),維管束的梯度分布和細(xì)胞壁多層結(jié)構(gòu)造就了竹材強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良特性,被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)建筑等領(lǐng)域。斷裂是斷裂力學(xué)的研究范疇,也是構(gòu)件使用過程中選擇和設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本研究以毛竹(Phyllostachys pubescens Mazel ex H.de Lebaie)為研究對象,以杉木
2、(Cunninghamia lanceolata[Lamb.]Hook.)為對照材料,基于線彈性斷裂力學(xué)理論,研究竹材Ⅰ型(張開型)斷裂韌性KIC;運(yùn)用數(shù)字散斑相關(guān)法、電子顯微鏡與加載聯(lián)用裝置和同步輻射μ-CT技術(shù)研究竹材斷裂破壞的演變過程和破壞模式,揭示竹材的韌性破壞機(jī)理。竹材斷裂特性的研究不僅是竹材基礎(chǔ)性質(zhì)研究的重要補(bǔ)充,更重要的是為竹材在結(jié)構(gòu)建筑等領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理、科學(xué)、高效和安全使用提供科學(xué)指導(dǎo)。
本論文的主要研究
3、結(jié)果歸納如下:
1.預(yù)置LR方向裂紋竹材的Ⅰ型斷裂韌性KIC明顯高于杉木;從竹青到竹黃竹材的KIC呈下降趨勢。緊湊拉伸法測得竹材KLRIC平均值為12.211 MPa?m1/2。
2.三點(diǎn)彎曲法研究竹材預(yù)置 LR裂紋的斷裂韌性KLRIC表明,由于竹材纖維在竹材內(nèi)部分布的不均勻性,裂紋預(yù)置在竹黃面K LRIC為9.81MPa?m1/2,裂紋預(yù)置在竹青面KLRIC5.476 MPa?m1/2高78.82%。
3
4、.三點(diǎn)彎曲法研究預(yù)置LT裂紋竹材的K LTIC,竹青、竹肉和竹黃部位竹材K LTIC分別為9.636 MPa?m1/2,6.533 MPa?m1/2和4.361 MPa?m1/2,呈梯度下降,竹材的斷裂韌性KLTIC與纖維含量相關(guān)。
4.沿徑向分層竹片預(yù)制LT的竹材斷裂韌性KLTIC從竹青到竹黃逐漸下降;杉木木片斷裂韌性KLTIC介于竹片竹肉2和竹肉3之間,比竹肉2低42.47%,比竹肉3高出5.9%,竹材的I斷裂韌性總體上高
5、于杉木。
5.數(shù)字散斑相關(guān)法研究竹材受力過程中應(yīng)變場演變過程表明,隨著拉伸載荷增加,應(yīng)變量增大,在裂紋頂端區(qū)域應(yīng)變場集中,隨著載荷增加應(yīng)變場集中范圍擴(kuò)大;相同拉伸載荷水平下從竹青到竹黃,應(yīng)變量應(yīng)變集中區(qū)逐漸增大。三點(diǎn)彎曲加載方式下,預(yù)制LR裂紋的竹材,裂紋預(yù)制在竹黃面的應(yīng)變量小于裂紋預(yù)制在竹青面應(yīng)變量;前者應(yīng)變場集中區(qū)域在裂紋頂端沿垂直預(yù)置裂紋方向擴(kuò)展,而后者沿裂紋預(yù)置方向擴(kuò)展,主要受竹材內(nèi)纖維不均勻分布影響。相同條件下,杉木
6、應(yīng)變量和裂紋頂端的集中區(qū)域都大于竹材,對比表明竹材抗斷裂能力高于杉木。
6.電子顯微鏡與加載裝置聯(lián)用,原位觀察竹材破壞過程顯示,竹材受拉伸和彎曲荷載時(shí)其裂紋擴(kuò)展方式不同。順紋拉伸時(shí),裂紋先沿著原來方向擴(kuò)展至纖維束之后,裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生改變,沿著纖維束與薄壁組織界面順紋擴(kuò)展,主要由于界面強(qiáng)度遠(yuǎn)小于纖維束的拉伸強(qiáng)度。不同部位竹材拉伸斷裂方式不同,竹青為沿界面發(fā)生劈裂,竹肉呈臺階式破壞,竹黃斷面齊整,破壞模式與竹材的纖維含量相關(guān)。三
7、點(diǎn)彎曲加載方式竹材破壞路徑呈“Z”字形,纖維束逐層破裂破壞,裂紋擴(kuò)展需要較多的能量,與木材裂紋擴(kuò)展過程中會(huì)產(chǎn)生很多小裂紋不同,表現(xiàn)出很好的韌性。
7. ESEM觀察竹材拉伸破壞斷面顯示,薄壁組織拉伸破壞為整齊破壞,維管束先拔出、拉長,到逐漸破壞。三點(diǎn)彎曲破壞特征為,纖維束被拉出竹材,界面破壞;外側(cè)拉伸纖維束長度較內(nèi)層長。杉木破壞斷面整齊斷裂,斷面粗糙。竹材的破壞模式為復(fù)合材料的斷裂特性。
8.同步輻射μ-CT技術(shù)觀察
8、竹材破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu),竹材拉伸破壞的內(nèi)部斷裂模式為:基質(zhì)斷裂,界面損傷,基質(zhì)破壞、纖維橋聯(lián),纖維斷裂。竹青纖維含量高,主要發(fā)生界面破壞,纖維斷裂;竹肉纖維含量適中,發(fā)生基質(zhì)破壞、纖維橋聯(lián);竹黃纖維含量較少發(fā)生基質(zhì)斷裂,纖維拉出斷裂。斷面觀察纖維束破壞呈塔狀。弦向三點(diǎn)彎曲加載時(shí),竹黃側(cè)破壞比竹青側(cè)快,纖維束逐層剝裂,表現(xiàn)出典型的韌性破壞模式。
9.竹材竹青、竹肉和竹黃三個(gè)部位的維管束拉伸強(qiáng)度和模量逐漸下降。纖維的拉伸強(qiáng)度和模量分別為
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