竹材多尺度非均质结构强韧及破坏机理

本项目紧紧围绕竹材高强、高韧性这一关键科学问题进行深入研究，以我国重要的竹种毛竹（Phyllostachys pubescens）为研究材料，针对竹材多尺度非均质结构特点，借鉴生物材料多尺度力学研究方法，分别以竹薄片、纤维束以及单根纤维（机械分离）为研究对象，采用原位力学加载手段（微拉伸加载与扫描电子显微镜、共聚焦拉曼光谱仪以及同步辐射X射线衍射装置联用），从宏观、微观以及纳米水平系统研究竹材的力学行为及其断裂破坏规律，重点探讨竹纤维断裂破坏的分子机制以及纤维、薄壁组织分别对竹材强度和韧性的贡献，并将不同尺度下的力学行为综合起来分析，以揭示竹材高强、高韧性与其多尺度非均质结构的关系。该研究对于深层次揭示竹材高强、高韧性机理，促进竹材资源的合理应用具有重要意义；同时通过探索竹材多尺度力学性能及其机理，了解竹材结构优化设计原理，为高性能仿生新材料的制备提供科学依据。

竹子具有优良的力学性能（集高强度、高韧性、高延展性于一体）。从生物材料的观点看，这是竹子在长期的自然进化过程中适应环境各种应力胁迫的结果，其中蕴藏着深刻的力学和材料设计原理。本项目针对竹子多尺度非均质结构的特点，分别以竹薄片、纤维束、单根纤维以及纤维细胞壁为研究对象，采用原位力学加载手段以及微观力学测试技术，从不同尺度研究竹子的力学行为及其断裂破坏方式，以揭示竹材结构与性能关系及其强韧机理。在宏观层面，采用扫描电子显微镜原位监测竹材拉伸和弯曲加载过程中裂纹的产生和扩展过程，分析竹材组织断裂破坏规律，提出裂纹桥接、裂纹阻隔以及多级弱界面分离的协同作用是竹子重要的增韧机制；在微观层面，结合单纤维拉伸、原位纳米压痕、大角X射线散射（WAXS）等微尺度表征技术，系统研究了竹子单根纤维、纤维束的力学性能及纤维细胞壁化学组成、微纤丝取向，揭示竹子具有优良刚度与韧性的微观机制，并提出竹纤维多壁层结构的形成很可能是对竹子缺乏次生分生组织的一种结构补偿。研究结果对于深层次了解竹子力学设计的优化原理，揭示竹子高强、高韧性机理具有重要意义，同时为开发仿生新材料提供理论依据。相关研究结果发表于国际知名刊物《Annals of Botany》、《Journal of the Royal Society Interface》、《BioResources》，并在2013年第八届太平洋地区木材解剖国际研讨会进行学术交流。