圆竹材弯曲定型的微观表征

Bamboo is one of the fastest growing plants in the world, with thin-wall, hollow, excellent mechanical properties and bending stability. Bamboo bending are still manufactured inefficiently by traditional manual method, and has not realized industrialization large-scale application as lack of theory support in bending mechanisms. Based on the above problems, influence of bending on bamboo cell in the following levels would be studied in this project: substance distribution state changes of cell wall, which in the view of material existing basis, changes of cell morphology characteristics, which from the point of material spatial forming, and changes of cells and multi walled layer mechanical performance, which from the angle of material performance. Micro response in bamboo cell to bending stability would be described though the above researches, combining analyze on quantitative (morphology characteristics change) and qualitative (mechanical properties, etc.). Through the above research, mechanism of bamboo bending stability would be revealed in the cellular level. Though the research of the above, theoretical foundation for precision machining of bamboo bent member, bamboo scientific usage would be provided, and it would also be significative for industrial application of bamboo bends, construction of bending parts components for low plastic materials, and bending bamboo product design.

竹子是世界上生长最快的植物之一，壁薄、中空，具有极其优良的力学结构特性和极佳的弯曲稳定性，目前圆竹弯曲主要通过传统手工方法，因缺乏弯曲机理方面的理论支持，圆竹弯曲尚未实现工业化大规模应用。针对上述问题，本项目拟从圆竹弯曲时对细胞不同层面的影响，即细胞壁存在基础-细胞壁物质分布状态变化、物质的空间构成-细胞形貌特征变化及物质性能基本表现形式-细胞及多壁层力学性能变化三个维度，通过定性（形貌特征变化）与定量（力学性能等）相结合的方式，分析圆竹弯曲稳定性的微观响应；通过上述研究，对弯曲圆竹细胞壁的物质分布、力学性能变化进行直观表达，从细胞层面揭示圆竹弯曲稳定性的机理，以期为实现圆竹弯曲构件的精准加工、科学利用圆竹提供理论依据，并预期可为圆竹弯曲的工业化应用、低塑性材料弯曲部件的构建及以弯曲圆竹为构件开展产品设计提供参考。

为研究竹子对弯曲的响应机制，采用纳米压痕法研究了弯曲竹不同部位的样品。结果表明，在默认受拉侧、受压侧及过渡区域，弯曲对竹材性能影响不同。弯曲后受拉侧竹青面弹性模量大幅增加（100.21%），硬度在竹青面有所下降（20.81%），竹肉部位有所增加12.36%。硬度在受压侧竹青面有所增加（9.61%），竹肉部位则呈现下降（18.67%）。竹子弯曲后，不可逆功与总功的比率增加，在受拉侧与受压侧的竹青部位变化相近。过度区纳米压痕相对残差深度约为60%，受拉侧和受压侧的相对残差深度增加到70%以上。实验结果表明，不论是受压侧还是受拉侧，其均形成了各自完整的拉伸—压缩应力系统。.竹子的优异特性之一是变形稳定性。在这项研究中，我们研究了控制竹子弯曲变形的途径。 采用SilviScan分析方法，采用手工弯曲的红竹，观察其密度分布、微纤丝角（MFA）和弹性模量（MOE）连续径向变化。结果表明，在弯竹中，与中性样品相比，拉伸样品中的MFA较低，压缩样品中的MFA较高。密度与MOE之间有很强的线性正相关，而MOE与MFA之间呈负线性相关，MFA与密度之间没有明显的线性相关性。增加的弯曲主要影响了MOE的改变，同时也改变了密度分布和MFA。研究结果表明，密度、MOE和MFA分布沿拉伸、中性和压缩样品的径向变化，对保持竹子的弯曲特性具有重要作用。