毛竹纖維細胞力學性質研究.pdf

1、作為材料的組成物質或增強相，天然竹纖維本身的力學特性和變異程度卻很少為人所知。作者以毛竹(Phyllostachys edulis)纖維細胞為主要研究對象，使用納米壓痕技術、單纖維拉伸技術、纖維束拉伸技術和傳統(tǒng)的力學測試，首次從亞細胞水平、細胞水平、組織水平到宏觀各個尺度，系統(tǒng)研究了毛竹纖維細胞的縱向力學性質，分析了影響力學性質的各種因素，重點考慮竹齡對毛竹纖維細胞力學性能的影響，并首次將毛竹纖維和馬尾松（Pinus massonian

2、a）木材纖維的細胞及細胞壁力學特性進行對比，以便揭示竹材結構設計和優(yōu)良力學性能的本質，從而更加科學、合理的選擇竹纖維原料，設計開發(fā)出高性能、高附加值的產品，促進生產工藝的不斷更新，同時，也為竹材品質的基因改良和定向培育提供量化的目標和指標，豐富和推動我國木材科學理論體系的發(fā)展，具有非常重要的理論和實際意義。
　　論文的主要研究結果如下：
　　1.亞細胞水平上毛竹纖維的縱向力學性質
　?。?）應用納米壓痕技術的研究結果表

3、明，微管束不同位置處，毛竹纖維細胞壁的縱向彈性模量變化不大，以21或22 GPa為中線上下波動，但是，微管束的邊緣，細胞壁的縱向彈性模量相對較小，為15.61 GPa，且變化不穩(wěn)定；毛竹纖維細胞壁硬度的變化范圍為0.4665-0.5603 GPa，從微管束中心向外呈逐漸減小趨勢。
　?。?）1月、2月、6月(0.5年)、18月(1.5年)竹齡的毛竹纖維細胞壁的縱向彈性模量相差不大。1月齡的彈性模量平均值與18月齡的相當，達到21.

4、51 GPa。毛竹纖維細胞壁的硬度隨竹齡呈增加趨勢，變化范圍為0.4673-0.6022 GPa，且在0.01水平上差異顯著。
　　2.細胞水平上毛竹纖維的縱向力學性質
　　（3）應用單纖維拉伸技術的測定結果表明，室溫下氣干毛竹單纖維的荷載位移曲線為近乎完美的直線，無明顯的塑性屈服，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂，斷口形貌分為多級脫層斷裂和近齊口斷裂，兩種模式在不同竹齡中均有分布，以多級脫層斷裂為主。
　?。?）對于0.5、1.5

5、、2.5、4.5、6.5、8.5年竹齡的毛竹纖維，縱向抗拉強度和彈性模量在竹齡間變化不大，總體平均值分別為1543.77 MPa和33.86 GPa，平均破壞應變在竹齡間的變化相對集中,在3.63％到5.74%之間，平均值為4.85%。
　?。?）毛竹纖維細胞壁的縱向力學特性在0.5年時已經(jīng)達到力學上的成熟。
　　3.毛竹與馬尾松纖維細胞及細胞壁力學性質對比
　?。?）毛竹單纖維平均抗拉強度和彈性模量均高出馬尾松單纖維

6、一半以上，展現(xiàn)出良好的高強、高彈、高變形性能。毛竹單纖維的斷裂應變比馬尾松高，拉斷后的斷口形貌以多級脫層為主，而馬尾松幼齡材以不規(guī)則的撕裂型斷口為主，成熟材多展現(xiàn)平整的橫向斷口。毛竹纖維次生壁的彈模和硬度優(yōu)于馬尾松，兩者的差距達到10%左右。兩者力學性質的差異與微纖絲角和細胞壁結構高度相關。
　　4.毛竹纖維束的縱向力學性質
　?。?）毛竹纖維束的荷載位移曲線與單纖維的相似，為直線性脆性斷裂。毛竹纖維束的平均抗拉強度為461

7、.03 MPa，平均彈性模量為37.74 GPa，兩者的變異系數(shù)約25%；斷裂時的平均應變?yōu)?.27%。
　　5.毛竹纖維與宏觀力學性質的關系
　?。?）毛竹宏觀薄片的應力應變曲線分布較為分散，為脆性斷裂。竹壁徑向不同位置的力學性質差異很大，近竹青處的力學性質遠遠高于近竹黃處，這與毛竹纖維含量的梯度分布高度相關。近竹青處薄片的斷口為沿順紋理的縱向劈裂，竹中處的斷口呈現(xiàn)參差不齊的劈裂特征，近竹黃處的斷口為相對整齊的橫向斷裂。<

8、br>　?。?）宏觀薄片的平均抗拉強度和彈性模量數(shù)值占纖維束數(shù)值的三分之一左右。纖維束的平均抗拉強度和破壞應變分別占纖維細胞的29.83%和26.19%，平均彈性模量基本相當。根據(jù)毛竹宏觀薄片的試驗數(shù)據(jù)和細觀力學混合定律推算出的纖維束的抗拉強度和彈性模量分別為651.506 MPa和52.0185 GPa，其數(shù)值高于纖維束力學性質實測值，薄壁細胞基本組織的抗拉強度和彈模分別為16.956 MPa和0.8685 GPa。
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