梁山慈竹多尺度力学性能研究

【摘要】竹材是一种具有多层复合结构的天然纤维增强复合材料,集高强、高韧和刚性于一身,广泛应用于建筑工程。多年来竹材工业化利用形成了依赖散生竹的单一模式,因此开发丛生竹作为建筑材料等高附加值产品,可以缓解散生竹资源短缺,满足建筑业日益增长的对绿色环保材料的需求。丛生竹竹材的力学性能是决定其加工利用最重要、最直接的性能指针,建立从宏观到微观的完整力学测试和研究体系,不仅有助于从生物力学角度理解竹子的生长机制,而且对开发仿竹建筑结构材料及其它科学合理利用都有重要指导意义。本文以丛生竹梁山慈竹{Dendrocalamusfarinosus)为研究对象,采用单根纤维拉伸、纳米压痕技术等技术手段,系统研究了梁山慈竹的宏观和微观力学特性,揭示了竹龄、竹材部位等因素对竹材宏观、微观力学性能和微纤丝角的影响规律,构建了梁山慈竹相关的力学模型,为全面理解梁山慈竹复杂力学行为的本质和梁山慈竹的高附加值利用提供了理论基础和科学依据。本文得到如下研究结果：1.揭示了梁山慈竹宏观力学特性及其变异规律。梁山慈竹宏观拉伸强度和弹性模量分别为289.06MPa和21.17GPa,弯曲强度和模量分别为183.99MPa和14.02GPa,压缩强度和模量分别为61.40MPa和17.52GPa,剪切强度为12.5MPa,冲击韧性为3520.714KJ/m2；随竹龄增加,梁山慈竹顺纹抗压强度和弹性模量呈现出先增大后减小的变化趋势,4年生时达到最大值；顺纹抗拉强度随竹龄增加略成减小趋势；弯曲强度和顺纹抗剪强度随竹龄增加变化较小；冲击韧性随竹龄增加呈增大趋势；除冲击韧性外梁山慈竹其他力学性质皆随竹秆高度的增加而增大。2.探明了梁山慈竹单根纤维的力学特性及其变异规律。梁山慈竹单根纤维的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率平均值分别是1.06GPa、26.93GPa和3.84%；随着竹龄增加,梁山慈竹单根纤维拉伸强度和弹性模量呈增大趋势,断裂伸长率则随竹龄增加而减小；单根纤维拉伸强度在竹干高度和和径向方向的变异性较小,而弹性模量沿竹高从基部至上部表现出减小趋势,沿径向从竹青至竹黄面表现出增大趋势,断裂伸长率的变化情况与弹性模量正好相反。3.探明了梁山慈竹细胞壁压缩力学特性及其变异规律。在气干状态下,梁山慈竹纤维4个竹龄细胞壁的平均模量和硬度分别为17.87GPa和403.26MPa；胞间层、细胞腔边缘的硬度和弹性模量比细胞壁层分别小9.22%和20.97%、31.71%和29.78%；竹龄对细胞壁模量和硬度的影响不显著；从竹干基部至上部,竹材弹性模量在略呈减小趋势；沿着竹壁径向方向,细胞壁弹性模量和硬度变化不显著。4.揭示了微纤丝角对梁山慈竹不同尺度力学性能的影响规律：梁山慈竹4个竹龄的微纤丝角平均值为8.493°,竹壁径向部位对微纤丝角有显著性影响,竹龄和竹秆高度部位对微纤丝角影响不显著；宏观拉伸强度和杨氏模量中分别有35%和43%的变异由微纤丝角引起;竹纤维细胞腔边缘的CMfs角度最大,胞间层次之,胞间层、细胞腔边缘的弹性模量和硬度分别比次生壁层小20.97%和9.22%、29.78%和31.71%。
【作者】杨喜；
【导师】李贤军；刘杏娥；
【作者基本信息】中南林业科技大学，木材科学与技术，2014，硕士
【关键词】梁山慈竹；宏观力学；单纤拉伸；纳米压痕；变异性；

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