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维普资讯 第 8喜 第 2期 材 料 研 究 学 报 VO】 8 ．No．2 I9 9 4 年 4 月 CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH April】99 4 f 早 竹子——一种天然生物复合材料的研究 付 绍云 周本濂 萱甚蕉 。 1中国科学院I盘属研究所 ．中国科学腕鲴际材料拘l理中心1 {中腑科学脘应用生态所) 学 ：耋 主． ——— f 竹子广泛地用于建筑、手工艺晶和造纸等方面 以前研究竹子集 中在它的生物解剖结 构、化学成分及力学性能上 ，只有采用现代测试技术(SEM 和 TEM)，才深人到它的微观 结构．本文中，凡毫米级以上视为宏观；用光学显微镜观察的视为细观；与竹纤维(几十个微米) 内部的精细结构相对应的尺度视为微观．竹纤维是空心多层螺旋的厚壁圆筒结构 ，但为 什幺形成如此复杂的微观结构，至今仍无有说服力的解释．竹子的力学性能非常优越，抗拉强 度达 530MPa，与最好 的Al合金相当．但竹子的密度最高只有 1．2g／cm ，所以它的比强度 可与 ARALL(一种高性能的先进复合材料)相比0 ．因此有理 由认为天然生物材料在经过 自 然选择和进化之后，无论材料还是结构都经过 了不同程度的优化，这样，对生物材料的研究无 1 竹的宏观分析 由于多孔性．不均匀性及各向异性，竹子并不符合材料力学的基本假设，但材料力学仍 可对其宏观结构给出一个近似的估计．将竹子看作一端固定的空心圆筒粱，在生存环境 中的 竹子承受的外力主要来 自风和雪，而雪压破坏本质上也属于弯曲破坏．设竹筒的内外径分别 为 d和 D．其具体的数值是从真实的竹筒上测量的．外界的作用力为风的沿轴向的均布压力， 设其弯矩为 ，根据材料力学，竹筒任一横截面的弯曲模量可表示为： = (D一 )／(32 口 图 1中H为竹筒的高度，如果注意到竹筒上任意位置的最大弯曲应力为 一 =M ／H 其 中 与 分别为该处的弯矩与截面抗弯模量，那幺， 发现竹子的宏观结构近似地体现 了等强度设计原理． 国家 自然科学基金重大项 目，9590015；[993~~-1B4日收到初稿：l993年lO月l2日收刊修改稿． 本文联系人 李世红，沈阳甫 l10015，中国科学院叠属阱究所 l88 维普资讯 第 8卷 第 2期 竹子——一种天然生物复台材料的研究 2 竹的细观分析 2．1 竹节间的分析 竹子是天然长纤维增强复台材料，其增强纤维是维管束，基体是薄壁细胞．维管束中包括 纤维帽、导管和筛管，其中只有纤维帽中的韧皮细胞(韧皮纤维)与竹子的力学性能关系最密 切．为测定竹子中增强纤维的体积分数，使用了自动图象分析仪，实验材料选取三种常见的竹 子即毛竹、刚竹、撑篙竹．为精确测定增强纤维的体积分数，维管束中的导管及筛管被当作 了基体．三种竹子的纤维体积分数 曲线示于图 2．由图可见，纤维体积分数从 内部髓环到外 部竹青是非线性地递增．复合材料的纤维体积分数与其力学性质密切相关，竹子也同样存在 这种关系．图3说明竹子中韧皮纤维的含量是决定其力学性质最主要的影响因素． 2．2 竹节的分析