基于纳米压痕技术的竹材细胞壁泊松比变化规律的研究

Bamboo as biodegradable materials has a great potential to be used in fiber-reinforced polymer composites. With ‘cell engineering’ and ‘cell mechanics’ as the guiding ideology, based on cutting-edge analytical tools such as Atomic force microscope, Nano-Dynamic mechanical analysis, Fourier transforms infrared spectroscopy, this proposed project mainly research on the cell wall Poisson ratio of single fiber produced by different fiber separation methods and primary fibrous tissue of bamboo, the variation rule of bamboo cell wall poisson ratio with bamboo age and bamboo; the relationship between the micro fiber silk fine structure of bamboo such as cell wall angle, crystallinity, chemical components, degree of polymerization, micro pore structure and Poisson's ratio; the effect of connection mode between cells and cell structure on poisson's ratio of bamboo cell wall. And from the composite material mechanics and bamboo macroscopical, microstructural characteristics consideration, the complete poisson system is studied. Investigating the Poisson's ratio of bamboo cell wall in micro-nano scales will be very useful to develop advanced bamboo fiber-reinforced polymer composites, and expand application for bamboo materials. It also has very important theoretical and practical significance to promote the development of bamboo science theory in China.

竹材作为生物可降解材料，可用于纤维增强复合材料的生产。项目以竹材为研究对象，以“细胞工程学”和“细胞力学”为指导思想，运用原子力透射显微镜、纳米压痕仪、傅立叶红外光谱等先进测试技术与手段，研究不同纤维分离方法制得单根纤维和原生纤维组织的细胞壁泊松比及其随竹龄和竹材部位的变化规律；研究竹材微细结构如细胞壁的微纤丝角、结晶度、分子聚合度、微观孔隙结构、细胞壁层级等与细胞壁泊松比之间的构效关系，深入理解细胞间的连接方式以及细胞构成组织对竹材细胞壁泊松比的影响；并从复合材料力学及竹材微观组织到宏观构造等多元考虑，研究竹材微观到宏观的完整泊松体系。系统地开展竹质材料细胞壁泊松比的科学研究，成果可完善生物质材料微纳尺度上的弹性常数，为具有特殊功能尤其是考虑泊松效应的竹质纤维增强复合材料的研发和拓宽竹材的应用领域提供重要的理论依据，对推动我国竹材科学理论体系的发展具有非常重要的理论和现实意义。

泊松比作为表征材料弹性的重要性能参数，对材料的加工及其成品的刚度和稳定性具有重要的意义。系统开展竹材泊松比的科学研究，为具有特殊功能尤其是考虑泊松效应的竹质复合材料的研发提供重要的理论数据，对推动我国竹材科学理论体系的发展具有非常重要的意义。项目以竹材为研究对象，采用静电电阻应变仪，获得了毛竹不同生长高度、竹龄以及竹壁部位的泊松比，分析了毛竹宏观泊松比变化规律，发现：在相同竹龄、相同高度处，泊松比沿着径向由外向内递减；在相同竹龄、相同竹壁处，泊松比随着高度的增加而递减；在相同高度、相同竹壁处，泊松比随着竹龄的增长而递减。其中，2年竹材1.5 m近竹青处泊松比最大，达到了0.33，而6年竹材5.5 m近竹黄处泊松比最小，仅为0.18。通过大量预实验，确定了可能影响毛竹泊松比的构造特征，研究了毛竹不同生长高度、竹龄及竹壁的密度、三大素、结晶度及微纤丝角等构造特征，分析了毛竹材微观构造对其泊松比的影响机理及二者之间的关联性，发现：竹密度与泊松比呈正相关关系，泊松比随密度的增大而增大；竹材泊松比与纤维素含量呈正相关关系，随纤维素含量的增加而增加，与木质素含量呈负相关，随木质素含量的增加而降低，与半纤维素并没有得到相应的强相关性；竹材结晶度与竹材轴向弹性模量呈正相关关系，竹材轴向弹性模量随着竹材结晶度的增大而增大，但竹材结晶度与横向形变没有直接的联系。在其他条件相同时，随着竹材结晶度的增大，竹材的轴向变形减小，竹材的横向变形不变，从而使得竹材泊松比减小；竹材微纤丝角与泊松比呈正相关关系。利用纳米压痕测试技术，分析了纳米压痕测试条件（加载载荷、压痕深度及频率）对竹材细胞壁泊松比测试结果精准度的影响，在稳定的测试条件下获得了毛竹不同生长高度、不同竹龄及不同竹壁部位的细胞壁泊松比及其变化规律，基本与宏观竹材泊松比变化一致。项目研究成果可为竹质复合材料设计、竹纤维增强材料以及竹结构建筑的结构设计提供基础理论数据。