竹材的天然結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)輕質(zhì)高強(qiáng)的圓筒形復(fù)合材料帶來啟發(fā)

竹子的應(yīng)用領(lǐng)域不斷被拓展，從常見的竹地板到福特公司的汽車零部件。竹子質(zhì)輕而堅(jiān)韌，是一種天然的、功能性材料。最近，來自日本北海道大學(xué)、熊本縣立大學(xué)和山梨大學(xué)的研究人員通過研究竹材的纖維分布特性獲得了設(shè)計(jì)輕質(zhì)高強(qiáng)的圓筒形復(fù)合材料的思路。

竹子是一種最典型天然的功能梯度材料(FGMs)。從結(jié)構(gòu)上看，竹子是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由2種主要的組織組成：作為增強(qiáng)作用的纖維(維管束)和作為基體的薄壁細(xì)胞。這些纖維有很強(qiáng)的剛性，可以與鋼筋媲美。為了識(shí)別竹材莖稈中增強(qiáng)纖維的分布特性與竹稈抗彎剛度之間的關(guān)系，研究人員研究了竹材橫截面中的纖維分布。

研究發(fā)現(xiàn)，竹材橫截面木質(zhì)部分中的纖維分布是不均勻的。纖維密度從內(nèi)到外逐漸變大，呈偏分布狀態(tài)(圖1)，這表明竹材外部的機(jī)械性能比內(nèi)部強(qiáng)。這也是竹子能夠抵御強(qiáng)烈側(cè)風(fēng)的原因。將真實(shí)的竹材纖維分布的數(shù)據(jù)與理論上推導(dǎo)出的最佳纖維分布數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩者相差無幾。在發(fā)現(xiàn)有大量纖維的竹稈基部的地方，實(shí)際的纖維分布符合理論推導(dǎo)出的二次型梯度分布；在相對(duì)于稈基部具有較少纖維的竹稈梢部，實(shí)際數(shù)據(jù)符合理論上計(jì)算的線性分布。

圖1 竹材橫切面上纖維密度由內(nèi)向外逐漸變大

研究人員發(fā)現(xiàn)，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布以使其以最小的體積具有最大化的抗彎剛度。由此得到啟發(fā)，可以通過模仿竹材的纖維梯度分布，開發(fā)出輕質(zhì)高強(qiáng)的圓筒形復(fù)合材料。近年來，模擬動(dòng)物和植物生存條件的仿生學(xué)解決了新型材料開發(fā)中的許多問題，竹材輕質(zhì)高強(qiáng)特性在新材料開發(fā)中的應(yīng)用是植物仿生學(xué)應(yīng)用的又一例證。該研究成果發(fā)表在2017年5月份的《PLOS ONE》雜志上。

(李玉敏 編譯)