竹子的多尺度拉伸力學行為及其強韌機制.pdf

1、竹子集高強、高韌、高彎曲延展性，適當?shù)膭傂杂谝簧?，從力學的角度看堪稱完美，其中必然蘊藏著深刻的科學道理。深入研究竹子的獨特力學行為，不僅有助于從生物力學的角度理解竹子的生長機制，而且對于開發(fā)仿竹結構生物啟發(fā)材料(Bio-inspiredmaterials)具有重要的指導意義。竹子可視為竹纖維鞘為增強相、薄壁基本組織為基體相的連續(xù)纖維增強復合材料，具有從納米到宏觀尺度的精巧分級結構以及相應的分級界面。因此，只有開展從宏觀、組織、細胞、甚至

2、亞細胞水平的多尺度力學行為研究，才有可能真正把握竹子高強、高韌、高彎曲延展性的內在機制。
　　 論文以4年生毛竹為研究對象，應用激光顯微切割技術解決了竹纖維鞘、薄壁基本組織等微小拉伸樣品制備難題，從而使在一個框架內開展宏觀、組織和細胞水平的多尺度力學表征成為可能。論文的第二章開展了竹子的多尺度拉伸力學行為研究，首次通過實驗測定獲得了竹纖維鞘、薄壁基本組織的基本拉伸力學性能數(shù)據(jù)，闡明毛竹纖維力學性能的株內變異規(guī)律，從生物力學角度提

3、出了竹子的快速生長策略;定量地揭示了竹纖維之間界面（細胞水平）、竹纖維鞘與薄壁基本組織之間界面（組織水平）對竹子宏觀拉伸強度、模量和斷裂伸長率的影響規(guī)律;第三章則研究了竹子分級界面的增韌機制，首次通過實驗測定了單根竹纖維、竹纖維鞘、薄壁基本組織的名義斷裂韌性、定量的揭示了竹纖維之間界面、竹纖維鞘與薄壁基本組織之間界面對竹子宏觀斷裂韌性的不同影響機制。第四章則針對竹子高彎曲延展性問題開展研究，首次測得了薄壁基本組織的壓縮和彎曲力學性能數(shù)據(jù)

4、，揭示了影響竹子彎曲性能的關鍵因子。
　　 以上研究內容的主要結果歸納如下:
　　 1、獲得了毛竹及其構成單元的基本拉伸力學性能數(shù)據(jù):毛竹宏觀拉伸彈性模量為10.22 GPa，拉伸強度151MPa，斷裂伸長率2.34％;竹纖維鞘拉伸彈性模量均值為47.33 GPa，拉伸強度729.25 MPa，斷裂伸長率2.04％;薄壁基本組織拉伸彈性模量為1.7 GPa，拉伸強度40.02 MPa，斷裂伸長率3.16％，壓縮模量、壓縮

5、強度、平均壓縮應變分別為0.24 GPa，20.92 MPa，54.57％，彎曲模量為0.37 GPa;毛竹單根纖維平均彈性模量為30.83 GPa，拉伸強度1110 MPa，斷裂伸長率6.7％;
　　 2、闡明了不同尺度界面對竹子宏觀強度、模量的影響規(guī)律竹子的強度和剛度主要來自于竹纖維。竹纖維之間的界面較弱，顯著降低了竹纖維鞘的拉伸強度和斷裂伸長率，但對其拉伸模量有一定增強作用;薄壁基本組織和纖維鞘之間界面結合非常特殊，強度適

6、中，有利于提高竹子的宏觀拉伸強度和拉伸延展性，但略微降低了其宏觀剛度。
　　 3、獲得了毛竹及其構成單元的名義斷裂韌性、斷裂功和比斷裂功:毛竹宏觀樣品名義斷裂韌性6.40 MPa·m1/2，斷裂功2.45×106 J/m3，比斷裂功3.06×106 J/g;毛竹纖維鞘名義斷裂韌性2.53 MPa·m1/2，斷裂功4.2×106 J/m3，比斷裂功2.8×106 J/g;毛竹薄壁基本組織名義斷裂韌性0.23 MPa·m1/2，斷裂

7、功0.67×106 J/m3，比斷裂功3.35×106 J/g;毛竹單根纖維名義斷裂韌性4.09 MPa.m1/2，斷裂功23.85×106 J/m3，比斷裂功15.9×106 J/g;
　　 4、闡明了不同尺度界面對竹子宏觀斷裂韌性的影響規(guī)律竹纖維是一種高韌性材料，而薄壁基本組織是一種高脆性材料，因此竹材的斷裂韌性主要來源于竹纖維;單根纖維之間的弱界面顯著降低了竹纖維鞘的斷裂韌性，但薄壁基本組織和纖維鞘的界面最終增強了竹材的韌