竹材复合界面的增韧机制

Bamboo is a natural bio-composite material. The fiber is the main component of bamboo and bearing unit, and its content determines the mechanical strength of bamboo. Bamboo fiber - parenchyma interface is the weakest part, which determines the crack propagating path and fracture properties. As more and more attention to the application of bamboo, to understand the fracture characteristics of bamboo is urgently needed for reasonable and efficient use of bamboo. In this study, the fracture toughness of bamboo with different fiber contents is tested. The crack starting position, propagation path and failure mode are observed by scanning electron microscope. At the microscopic and nano scale, the effect of bamboo fibers and interface on impeding and shielding crack will be analyzed. The crack shielding stress factor is obtained, and the effect of composite interface on internal and external toughness mechanism of bamboo is discussed, which provides new ideas for development of bionic material of bamboo structure.

竹材是一种天然的生物质复合材料，纤维为竹材的主要组成单元和承载单元，其含量决定了竹材的力学强度，而纤维-薄壁组织界面决定了竹材裂纹扩展路径和断裂特性。随着人们对竹材应用的重视，了解竹材的断裂特性是合理、高效利用竹材的重要依据。本研究以毛竹为对象，测试不同纤维含量竹材的断裂韧性，观察裂纹起始位置、扩展路径和破坏方式；在微观和纳米尺度下，分析竹材组成单元和界面对阻止扩展和屏蔽裂纹的作用，从而得出裂纹屏蔽强度因子，阐明竹材复合界面对内在和外在韧性机制的影响，为竹材结构仿生材料的研发提供新思想。

竹材是一种天然的生物质复合材料，纤维含量的梯度变异和多尺度分级结构及两相界面是决定其强韧性的关键，断裂韧性KC是判断材料抵抗裂纹失稳扩展能力的参量。本项目通过拉伸和三点弯曲2种方法对竹材I型裂纹的断裂韧性KIC进行测试，基于竹材纤维含量的径向梯度变异，分别测量不同部位竹材的断裂韧性，并建立其与纤维含量的定量关系；借助电子显微镜与加载装置联用和同步辐射光源µ-CT技术，观察了竹材加载过程中的裂纹扩展路径和破坏模式；基于复合材料结构和界面断裂力学，分析了竹材的断裂韧性机制。研究得出了不同部位竹材的应力强度因子，得到竹材断裂韧性与纤维含量呈y=0.139x+2.203正相关线性关系。拉伸载荷作用下，纤维含量最高和最低的竹青和竹黄部位都为脆性断裂，纤维含量适中的竹肉部位为典型的复合材料断裂破坏，这与维管束起主要承载作用，薄壁组织起基质连接作用密切相关。三点弯曲作用下，竹材的纤维束和薄壁组织的界面是竹材发生破坏的主要部位；在最下方竹材破坏后，裂纹沿纤维/薄壁组织界面延展从而导致维管束逐层剥裂，裂纹的扩展路径呈现“Z”字形。拉伸和弯曲破坏模式表明，纤维是支撑载荷的主要单元且有效阻止了裂纹横向扩展，薄弱界面导致了迂回曲折的裂纹路径，纤维拔出、桥联和薄壁组织整齐破坏的破坏模式为复合材料断裂的典型特征。从断裂力学能量平衡理论分析，纤维束逐层破裂破坏，界面扩展和微裂纹的出现则需要更多断裂能量，从而有利于提高竹材韧性。从强度因子角度出发，裂纹扩展源于裂纹起始、平衡和发展，都与裂纹尖端的应变场有关，竹材破坏路径取之迂回，缓慢失效的方式表现了优良的韧性破坏。基于上述竹材典型破坏特性，尤其是“纤维桥联”和 “剪切滞后理论”建立了竹拉伸和弯曲破坏模型。综上，本研究从断裂力学研究了竹材断裂韧性，并结合竹材的梯度变异两相复合结构揭示了竹材强韧性机制。基于该项目，撰写学术论文3篇，其中1篇SCI论文已刊出，1英文和1篇中文论文在投，培养了研究生2名（1名毕业，1名在读），获授权专利1件。