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。竹子質輕而堅韌,是一種自然性與功能性并存的材料。近來,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高強的圓筒形復合材料思路。
竹子是一種最典型天然的功能梯度材料。 從結構上看,竹子是一種纖維增強復合材料,由兩種主要的組織組成: 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系,研究人員研究了竹材橫截面中的纖維分布。
研究發現,竹(zhu)(zhu)材橫(heng)截(jie)面(mian)木質(zhi)部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)中的(de)纖(xian)維(wei)(wei)分(fen)(fen)(fen)布(bu)是不(bu)均勻的(de)。纖(xian)維(wei)(wei)密度從內到外逐(zhu)漸變大,呈偏分(fen)(fen)(fen)布(bu)狀態,這表明竹(zhu)(zhu)材外部(bu)(bu)(bu)的(de)機械性(xing)能(neng)(neng)比內部(bu)(bu)(bu)強(qiang)。這也是竹(zhu)(zhu)子能(neng)(neng)夠(gou)抵御強(qiang)烈側風的(de)原因。將(jiang)真(zhen)實的(de)竹(zhu)(zhu)材纖(xian)維(wei)(wei)分(fen)(fen)(fen)布(bu)的(de)數據(ju)與理論(lun)上(shang)推導出的(de)纖(xian)維(wei)(wei)分(fen)(fen)(fen)布(bu)數據(ju)進行比較(jiao)發現,兩(liang)者相差無(wu)幾。在發現有大量纖(xian)維(wei)(wei)的(de)竹(zhu)(zhu)稈(gan)基部(bu)(bu)(bu)的(de)地方,實際的(de)纖(xian)維(wei)(wei)分(fen)(fen)(fen)布(bu)符(fu)合理論(lun)推導出的(de)二次型梯度分(fen)(fen)(fen)布(bu);在相對于(yu)稈(gan)基部(bu)(bu)(bu)具有較(jiao)少(shao)纖(xian)維(wei)(wei)的(de)竹(zhu)(zhu)稈(gan)梢(shao)部(bu)(bu)(bu),實際數據(ju)符(fu)合理論(lun)上(shang)計算(suan)的(de)線性(xing)分(fen)(fen)(fen)布(bu)。
研究人(ren)員發(fa)現,竹子能夠自(zi)然(ran)優(you)化(hua)纖維的(de)(de)分布來(lai)使其以(yi)更小(xiao)的(de)(de)體積具有(you)更大的(de)(de)抗彎剛度。由此得到啟發(fa),可以(yi)通過模仿竹材(cai)的(de)(de)纖維梯度分布,開發(fa)出輕質高強(qiang)的(de)(de)圓筒形復(fu)合材(cai)料(liao)。近年來(lai),模擬動物和植物生存(cun)條件的(de)(de)仿生學解(jie)決了新型(xing)材(cai)料(liao)開發(fa)中的(de)(de)許多(duo)問題,竹材(cai)輕質高強(qiang)特性在(zai)新材(cai)料(liao)開發(fa)中的(de)(de)應(ying)用是植物防生學應(ying)用的(de)(de)又(you)一例證。
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