竹材多尺度下强韧性及水热影响研究进展.pdf
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1、林业工程学报,():收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()。作者简介:陈复明,男,副研究员,研究方向为竹纤维复合材料。责任作者:王戈,男,研究员。:竹材多尺度下强韧性及水热影响研究进展陈复明,何钰源,魏鑫,韩善宇,季加贵,王戈(国际竹藤中心,北京;浙江三箭工贸有限公司,浙江 庆元)摘 要:高强韧性是竹材最重要的材性特征和加工利用优势之一,这种强韧性与竹材独特的多尺度结构有着密切关系。作为天然生物质复合材料,水分与温度的变化对其强韧性有着直接影响:含水率增加,有利于提升竹材抵抗塑性变形的能力;温度升高,则使其材性变脆;在水热协同效应下,具有维管束梯度结构的竹材通过微纳结构和化学组分的
2、变化影响强韧性。笔者着重从材料学角度分析了竹材的增韧机制,介绍了竹材的多尺度结构,综述了竹材如何在不同尺度下通过梯度结构、细胞协同变形、多细胞壁层结构和分子链滑移体现增韧机制。水分主要增大竹材细胞变形和分子链滑移空间,从而使竹材在相同外力作用下能发生更大的位移,增加韧性。分析了湿热处理时,竹材纤维素、木质素和半纤维素的位置、构象及其比例可能在较低温度下发生变化,进而调控其强韧性能的变化。在此基础上,按照传统竹制品和现代竹材加工工艺,列举了竹材强韧性的典型应用案例和强韧性新材料发展方向。最后,提出了竹材在湿热作用下强韧性机理可进一步研究的方向。关键词:竹材;强韧性;水热协同效应;多尺度结构;维管
3、束梯度结构中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:(),;(),;(),(),:;第 期陈复明,等:竹材多尺度下强韧性及水热影响研究进展 竹材的增韧机制先进工程结构材料要求既强又韧,但是强度和韧性总是矛盾的 强度高的材料往往脆性较大,而韧性好的力学强度通常较低。例如,高强度的陶瓷由于烧结时存在原始微小孔洞,在受力后内部的裂纹尖端产生严重的应力集中而脆性破坏,这些材料一般通过促进裂纹偏转和晶粒桥联来增韧。高韧性的金属则通过内部的位错运动,表现出宏观塑性和低强度,其增强的手段包括原位相变、细化晶粒等。这些材料的大部分宏观性质可以追溯到纳米和介观尺度上的分子组成和相互作用,因此,要克
4、服这种矛盾,同时提高强韧性,需从材料的微观机制进行探究。骨骼、竹子和贝壳等天然生物材料具有良好的强韧性,这与其自身“自下而上”形成策略密切相关,从分子到聚合体再到整个有机体,在各个结构层次上精确组装。对此提出一种多尺度(从分子水平到宏观水平)的与裂纹扩展相关的内在增韧(塑性作用)及外在增韧(屏蔽作用)的拮抗机制。)竹材的多尺度结构;)细胞纤维组织含量梯度;)化学组分分布梯度。图 竹材多尺度及维管束薄壁细胞梯度结构示意图 竹材的内外增韧机制如图 所示。其中,内增韧是通过纳米尺度上的塑性区、滑移面和微裂纹作用于抑制损伤发生的(如开裂或脱黏过程),这主要与塑性区域的扩大、有效地阻止裂纹的萌生和扩展有
5、关,体现为竹材本身的塑性。外增韧则作用于裂纹尾端的纤维桥接、裂纹偏转等,通过降低裂纹尖端的局部应力场和应变场发生,在裂纹出现后影响裂纹扩展路径,使得裂纹在扩展过程中阻力不断增大,最终体现为裂纹扩展阻力曲线(曲线)的上升。图 竹材内增韧与外增韧机制 竹材多尺度结构与其强韧性关系 竹材多尺度结构与大多数植物一样,竹子将纤维素、木质素和半纤维素通过“自下而上”的方式组装,形成如图 所示的多尺度结构。不同的是,竹子通过中空的茎,降低了自身质量并获得了快速生长的高度优势;纤维平行于茎,形成正交各向异性的材料,在质量和强度之间达到最佳的平衡。在纵向上,每隔一段便有一个竹节,且节间距随着高度也有所变化。而在
6、横截面上,中空多节的竹子没有形成层和横向射线组织,竹子则通过自身独特的功能梯度结构补偿这一缺陷。竹材功能梯度结构,如图、所示,包括纤维组织的体积分数变化梯度和化学组分的分布梯度两个方面。刚性的维管束(竹纤维强度的主要来源,由厚壁的竹纤维细胞通过胞间层黏合组成纤维鞘与负责输送水分和养料的疏导组林 业 工 程 学 报第 卷织及韧皮组织一起形成维管束)梯度分布(靠竹青侧纤维密而小,靠竹黄侧稀而大)在均匀柔性的薄壁细胞(可塑性变形吸收能量)中,并形成“岛链结构”。在化学组分方面,作为结壳物质的半纤维素和胶黏物质木质素的含量在厚壁纤维、薄壁细胞,以及细胞壁层、胞间层和细胞角隅呈梯度分布。与木材细胞壁仅有
7、、层的次生壁相比,竹材细胞的壁层结构比木材更为复杂,其纤维细胞壁有 层宽窄交替的壁层,薄壁细胞壁最多有 层,且微纤丝角也呈现交替变化。竹子通过“自下而上”、精巧有序的多尺度结构设计,实现了高强度与高韧性的完美组合。风载、雨雪、重力等外界应力,在多尺度梯度竹子的截面上得到优化分布(竹青侧可抵抗边缘最大正应力),避免了应力集中的出现,实现整体刚度与韧性的协调。竹材梯度结构与细胞协同变形竹纤维细胞壁厚薄交替的多壁层结构、维管束细胞梯度结构及其纤维与薄壁组织的界面对于竹子的弯曲性能极为重要。梯度组织结构及多尺度结构能有效避免纤维细胞末端剪切应力集中的发生,并通过“简单组分、复杂结构”的精巧设计对竹子横
8、向缺少木射线起到了功能补偿作用,如通过图 中的梯度结构实现强度与韧性的构衡。冼杏娟等、等和 等采用预制裂纹、单边裂纹拉伸法及预制贯穿裂纹等方法研究竹材的径向断裂规律:竹材断裂韧性与维管束纤维的含量呈正比,即竹青竹肉竹黄。等利用弯曲挺度法建立了竹材纤维体积分数与抗弯刚度的数学模型,表明纤维体积分数越高,竹材的抗弯刚度越高,弯曲柔性越低。等则提出了延性系数用来衡量竹材的弯曲延性,并将其与纤维体积分数、抗弯弹性模量及抗弯强度联系起来,发现参数之间具有显著的相关性。其他学者采用数字散斑相关方法()对竹材单向加载与双向加载过程中的应变场分布进行了动态表征,发现最大应变先出现在竹黄处,随后沿着维管束与薄壁
9、组织的弱界面呈“”字形扩展。运用光学显微镜、扫描电子显微镜与微力学加载装置联用等手段,邵卓平等、田根林等和 等从宏观、组织、细胞、亚细胞水平,揭示了竹材多尺度断裂韧性行为的增韧机制包括薄壁细胞的变形、多相弱界面分层吸脱黏、纤维拉伸断裂与微纤丝拔出吸能等。)竹材通过梯度结构实现强延协同;)竹材梯度结构的非对称加载;)原位观察竹材三点弯曲状况。图 竹材梯度结构与断裂机制 单向纤维过去一直被认为是竹材力学性能的来源。安晓静等从分级结构的角度测试了毛竹纤维鞘和基本组织的断裂功能后发现:纤维与基本组织之间的界面对竹材增韧起到了关键作用,机械剥离得到的纤维鞘的断裂韧性大约只占竹材的。薄壁细胞在影响裂纹偏转
10、、提供塑性区吸收裂纹尖端能量两个方面极大提高了竹材的韧性;竹纤维的桥接作用在薄壁细胞较多的区域更为明显,使 曲线上升更快。纤维束对裂纹尖端有屏蔽作用,在断裂时能有助于释放应力作用,将残余应 第 期陈复明,等:竹材多尺度下强韧性及水热影响研究进展力重新分布到完整区域,同时在周围区域产生微裂缝增加韧性。在弯曲过程中,拉伸层的薄壁细胞短轴方向变短,长轴方向变得更长,且长轴方向的应变大于短轴,压缩层的纤维之间产生滑移,但未产生形态变化。总的来说,竹纤维拉伸强度高起到承载应力的作用,胞间层起到传递应力作用,而薄壁组织由于腔大壁薄提供了变形空间。另外,加载方向对具有典型梯度结构竹材的断裂行为有所区别,通过
11、非对称结构,在应对如图 中不同加载方向的力时,竹材呈现不同的力学性能。三点弯曲加载时,试样中性层以上受压、中性层以下受拉伸作用。当竹黄侧受压、竹青侧受拉伸作用时,竹材断裂韧性较高。从图 中可观察到胞间层的界面分离破坏、微裂纹的“”字形扩展路径以及纤维拔出断裂现象。这是因为竹青侧的纤维承受拉伸应力,泡沫状薄壁细胞承担压缩变形部分被挤压以容纳更大的塑性形变。竹材细胞壁层和分子水平增韧机制增韧机制在细胞壁的多层结构上同样存在,如图 所示,裂纹被引导至 和 层,微纤丝在裂纹扩展过程中起到了桥联作用,且微纤丝角的变化也使得裂纹在木材细胞壁层间不断偏转。这一增韧机制在竹材的多壁层结构中也有可能存在。竹纤维
12、的破坏模式也各不相同,断裂发生时纤维中心壁层呈现脆性破坏,外围壁层的断裂面则非常粗糙,有明显的层间滑移和界面失效。在细胞壁中还存在着具有一定延展性的纳米纤维素颗粒。通过分子动力学发现,由半纤维素和木质素组成的基质()与纤维素无定形区的界面最为薄弱,但由于纤维素微纤维周围的无定形基质中的氢键可以快速断裂和恢复(图),聚合物分子间发生如同尼龙搭扣一般的黏滑移动,直至细胞之间的界面彻底分离,通过弱界面增加了竹材的韧性。)细胞壁层水平增韧机理;)分子水平增韧机理。图 竹材微观尺度增韧机制 竹材湿热处理与强韧性能关系 水分对竹材强韧性影响竹材主要是由纤维素、木质素和半纤维素组成的具有黏弹性的天然非晶高聚
13、物。众所周知,含水率对竹材力学性能的影响是巨大的,在到达纤维饱和点前,随着含水率的增加,竹材的强度会降低,韧性会增加。纤维素的非结晶区有大量的羟基,易吸湿润胀。由于半纤维素通常吸附在纤维素上,且比纤维素更易水化润胀,这增加了纤维的润胀和弹性。当含水率在纤维饱和点以下时,水分主要以化学结合水的状态存在,水分子与链段中的羟基容易形成氢键结合。纤维素分子链内部以及纤维素链之间得以通过氢键相接,通过单分子层到多分子层水的吸附润胀作用,氢键密度和三大素之间的束缚作用发生变化,大量环状结构(糖环和苯环)从密集的纤维中解放且互相交缠,在拉伸过程中消耗更多能量(图、)。宏观上表现为不同含水率(,和)下竹材断裂
14、行为的变化,特别是随着水分增加,薄壁细胞之间、纤维与纤维之间以及纤维与基本组织之间的界面分离更明显。水分对竹材型层间断裂韧性的作用,同时包括了促进和阻止裂纹扩展两个方面。如图 所示,水分通过润胀细胞壁的无定形区,增大细胞壁移动空间,从而阻碍裂纹扩展;同时,多分子水吸附层也降低了组分间的摩擦,反而促进了裂纹扩展。等研究表明,前者在竹材中效应更强,相对湿度每增加,竹材的断裂韧性增加 。在蒸腾作用下,利用水分和温度的协同效应强化其柔韧特性,这是竹子在千百万年的自然进化过程中适应雨、雪、风、霜环境的结果。对于“刚柔相济”的竹子,一个有趣现象是:靠近竹材根部的水分含量高而温度低、竹枝梢部位的含水率低而温
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