基于生物材料分级结构原理的竹子多尺度力学行为研究

竹子集高强、高韧、高延展性，适当的刚性为一身，从力学的角度看堪称完美，其中必然蕴藏着深刻的力学和结构设计原理。本项目借鉴国际生物材料界基于分级结构原理研究生物材料结构与功能关系的理念，在同一研究框架内对竹子开展从宏观到组织、细胞水平的不同尺度的力学和结构表征，旨在从细胞水平阐明竹子生长过程的力学优化策略，并定量地揭示竹纤维厚薄层之间界面、竹纤维间界面、竹纤维束与薄壁组织之间界面对竹子强度、刚度、韧性的影响机制。通过本项目的实施，不仅有可能揭示竹子优异力学性能背后所蕴含的重要力学和仿生学原理，促进高性能仿竹结构材料的开发和应用，还有利于我们从生物力学的角度理解竹子的生长机制。此外，本项目的实施还可以获得部分重要竹种纤维的力学性能数据，为竹纤维基高分子复合材料的结构设计和性能优化提供重要的基础数据，具有重要的理论和现实意义。

竹子集高强、高韧、高弯曲延展性，适当的刚性于一身，其中必然蕴藏着深刻的科学道理。从宏观、组织、细胞、甚至亚细胞水平深入研究竹子的独特力学行为，不仅有助于从生物力学的角度理解竹子独特的生长策略，而且对于开发仿竹结构生物启发材具有重要的指导意义。过去3年来，课题组按照项目申请书规定的研究内容开展工作，在多个方面取得了重要进展或突破，实现了预期研究目标，较为全面地揭示了竹子独特的增强增韧机制。. 课题组应用自主研发的高精度植物短纤维力学测试仪对包括毛竹在内的中国12个主要竹种纤维的力学性能开展了系统测试，获得了具有统计意义的重要力学数据，不仅在细胞水平解释了为什么竹子的宏观抗拉强度显著优于木材，还为今后高性能竹纤维基复合材料的设计和开发提供了关键基础数据；系统研究了毛竹和麻竹纤维力学性能的株内变异规律，首次从生物力学角度提出了竹子独特的快速生长策略；创造性地应用（激光）显微切割技术，解决了竹纤维鞘、薄壁基本组织等微小拉伸力学测试样品制备难题，从而使在一个框架内开展竹子的宏观、组织和细胞水平的多尺度力学表征成为可能；以毛竹为研究对象，首次实验测定了竹纤维鞘、薄壁基本组织的基本拉伸力学性能数据，定量地揭示了竹纤维之间界面（细胞水平）、竹纤维鞘与薄壁基本组织之间界面（组织水平）对竹子宏观拉伸强度、模量和断裂伸长率的影响规律；首次通过实验测定了单根竹纤维、竹纤维鞘、薄壁基本组织的名义断裂韧性、定量的揭示了竹纤维之间界面、竹纤维鞘与薄壁基本组织之间界面对竹子宏观断裂韧性的不同影响机制；首次测得了薄壁基本组织的压缩和弯曲力学性能数据，揭示了影响竹子弯曲性能的关键因子。. 截止2014年2月20号，课题组已经在国内外核心期刊上发表（包括已在线）论文14篇（第1标注10篇，第2标注4篇），其中SCI收录7篇（第1标注5篇，第2标注两篇）。论文发表数量是项目申请书所规定指标的两倍。课题组成员在国际会议上做分会场报告6次，国内会议4次。目前，课题组还有3-4篇重要英文论文正在审稿中，今后两年我们会将新的产出情况及时上报基金委。