竹重组材的主要力学性能

wangzhkk

　　对于拉伸实验，因为纵向抗剪强度比抗拉强度低得多，常规试件常发生剪切断裂损坏，过早地结束试验过程，拉伸断裂的工作长度比实际拉伸长度要小，所以在我们实验中，端部粘贴 1mm 厚的杨木薄片作为加强片，用以消除或缓解夹紧装置对试件产生应力集中现象。由于竹子的梯度结构，径向方向的强度和模量不应该是常数，所以测量值认为是“有效值”或者“名义值”。换句话说，下文中所用的复合单元(BS 和 OSB)属性值可认为是平均值。
　　在拉伸过程中，随着内部损伤的积累是伴随有劈裂的声音发生。另外我们可以观察到纤维拔出的现象发生，说明纤维的强度要大于基体的强度，证明竹材纤维作为纤维基复合材料中的加强相非常具有潜力(张晓冬等，2006)。在所有的静态弯曲测试中，高强侧(竹青侧)作为拉伸侧，置于支架上加载受力。对于剪切测试，负载的方向如图 2-4 C所示，剪切试验的基础上进行测试标准使用方法同木材。径向各试件测定后取平均值，所得结果如表 1所示。
　　表 1 竹材和竹重组材基本物理力学性能对比

　　图 1 、图 2、图 3表明了竹重组材对于竹材的主要力学性能。总体来看，重组后竹材的某些力学性质提高明显。例如，拉伸强度提高了 31%，拉伸模量提高了 44%，弯曲强度提高了 33%，而与之对应的代价是密度上升了 32%。重组后模量上升的幅度高于强度的幅度，可能是由于疏解过程中机械加工对纤维造成了损伤，从而影响了其在强度上的表现;而 PF 胶粘剂固化后刚度值较大，也是竹重组材刚度值提升较大的原因之一。
　　从图 1中发现，靠青面侧的抗弯强度差不多，说明没有被压缩，胶水的添加也没有起到增强作用。重组后的曲线斜率较竹材的平缓，说明变异性较小，更适合材料的设计。虽然，在厚度方向是呈梯度变化的，对于名义抗弯强度，还是随着密度的变化，呈线性变化的。对于离散、施胶后被压缩的竹重组材，在厚度方向上的名义抗弯强度，也随着密度的变化而线性变化，且曲线更平缓，说明，重组后的竹材的性能变得更均一，这是有利于材料结构的设计。

　　相比正常竹材，竹重组材静态力学性质的提高可由从以下五个角度解释：

　　1. 密度。生物质材料的力学性质与密度密切相关已是共识。对于木材而言，通常高密度就意味着较高的强度，这种相关性也同样适用于竹材。图 1 表明了竹材密度与弯曲性质之间的相关性。

　　2. 压缩率。对于同种竹材，更高的压缩率就意味着重组后的竹材越致密。韧皮纤维是竹材受力过程中性能的主要贡献者，在压缩后，他们的总量没有发生变化，单位面积内的强度和模量却提高了，这也是原因之一，如图 2-13 所示。
　　3。纤维体积分数。根据混杂原理 的值要远远高于 ，因此 和 显示了一种线性相关，重组后竹材中纤维体积分数提高，必定有利于强度。
　　4. 微纤角。生物质材料的微纤角在其力学性质的影响中起决定地位。压缩过程中，理论上材料长度和宽度在一定程度上伸长了，同样的情况也发生在韧皮纤维上。对竹材细胞壁中微纤丝的螺旋盘旋结构而言，长度的增加就导致了微纤角相对于纤维轴的减小，对拉伸性质起到了提升作用。
　　5. 胶粘剂的加入。维管束或者说韧皮纤维之间被 PF 胶粘剂很好的胶合、固化后，部分或完全替代了原先的基体——薄壁组织，从而增强了其力学性能表现。

　　

　　图 1 竹材和竹重组材(压缩率 48%)的密度与抗弯强度的关系


　　图 2 竹材和竹重组材(压缩率 48%)的强度值

　　图 3 竹材和竹重组材(压缩率 48%)的刚度值

　　图 2-13 竹材和竹重组材的纤维体积分数(压缩率 48%)




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