竹材的天然結(jié)構(gòu)為設計輕質(zhì)高強的圓筒形復合材料帶來啟發(fā)

竹材的天然結(jié)構(gòu)為設計輕質(zhì)高強的圓筒形復合材料帶來啟發(fā)

竹子的應用領域不斷被拓展，從常見的竹地板到福特公司的汽車零部件。竹子質(zhì)輕而堅韌，是一種天然的、功能性材料。最近，來自日本北海道大學、熊本縣立大學和山梨大學的研究人員通過研究竹材的纖維分布特性獲得了設計輕質(zhì)高強的圓筒形復合材料的思路。

竹子是一種最典型天然的功能梯度材料(FGMs)。從結(jié)構(gòu)上看，竹子是一種纖維增強復合材料，由2種主要的組織組成：作為增強作用的纖維(維管束)和作為基體的薄壁細胞。這些纖維有很強的剛性，可以與鋼筋媲美。為了識別竹材莖稈中增強纖維的分布特性與竹稈抗彎剛度之間的關(guān)系，研究人員研究了竹材橫截面中的纖維分布。

研究發(fā)現(xiàn)，竹材橫截面木質(zhì)部分中的纖維分布是不均勻的。纖維密度從內(nèi)到外逐漸變大，呈偏分布狀態(tài)(圖1)，這表明竹材外部的機械性能比內(nèi)部強。這也是竹子能夠抵御強烈側(cè)風的原因。將真實的竹材纖維分布的數(shù)據(jù)與理論上推導出的最佳纖維分布數(shù)據(jù)進行比較發(fā)現(xiàn)，兩者相差無幾。在發(fā)現(xiàn)有大量纖維的竹稈基部的地方，實際的纖維分布符合理論推導出的二次型梯度分布；在相對于稈基部具有較少纖維的竹稈梢部，實際數(shù)據(jù)符合理論上計算的線性分布。

圖1 竹材橫切面上纖維密度由內(nèi)向外逐漸變大

研究人員發(fā)現(xiàn)，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布以使其以最小的體積具有最大化的抗彎剛度。由此得到啟發(fā)，可以通過模仿竹材的纖維梯度分布，開發(fā)出輕質(zhì)高強的圓筒形復合材料。近年來，模擬動物和植物生存條件的仿生學解決了新型材料開發(fā)中的許多問題，竹材輕質(zhì)高強特性在新材料開發(fā)中的應用是植物仿生學應用的又一例證。該研究成果發(fā)表在2017年5月份的《PLOS ONE》雜志上。

(李玉敏 編譯)