陳海鳥, 田 偉, 金肖克, 張紅霞, 李艷清, 祝成炎
(浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室, 浙江 杭州 310018)
毛竹是自然界中具有良好力學性能的典型植物之一,可視其為具有優(yōu)越力學性能的纖維素結(jié)構(gòu)天然復合材料[1-2],毛竹特殊的節(jié)間空心結(jié)構(gòu)和內(nèi)部梯度分布特點使其擁有良好的整體構(gòu)造[3],因此,具有優(yōu)異的柔韌性、剛性、抗拉強度[4]。毛竹優(yōu)異的力學性能與其微觀結(jié)構(gòu)的合理分布息息相關。洗杏娟等[5]研究發(fā)現(xiàn),維管束厚壁細胞沿軸向排列對竹材力學性能貢獻最大,使竹材具有高的強度和剛度。Widjaja等[6]研究發(fā)現(xiàn),毛竹內(nèi)部結(jié)構(gòu)對竹材抗彎強度、抗壓強度和抗拉強度有巨大的貢獻。毛竹的結(jié)構(gòu)特征使其具備良好的力學性能,同時啟發(fā)研究者將毛竹結(jié)構(gòu)分布特點應用于仿生學研究。根據(jù)毛竹中的維管束結(jié)構(gòu)沿管壁軸向分布且直徑增大、數(shù)目減少的特點,人們設計并改進了復合材料管材[7]、承重拉桿[8]、薄壁管[9]等,仿竹結(jié)構(gòu)的設計可在一定程度上提高材料的強度和剛度。
毛竹結(jié)構(gòu)在內(nèi)外表面的梯度分布不僅降低了毛竹質(zhì)量,還提升了彎曲剛度,同時在應對外力載荷時能起到吸收能量的作用[10]。傳統(tǒng)的纖維增強管狀復合材料具備良好的力學性能,但要在輕量化、抗彎強度、高比強度和高比模量方面有所突破,需要嘗試在復合材料的結(jié)構(gòu)設計中賦予纖維與樹脂結(jié)構(gòu)變化。常見的纖維增強管狀復合材料纖維與樹脂均勻排布,結(jié)構(gòu)較為單一。毛竹作為天然的管狀復合材料,具備高比強度、比模量、輕質(zhì)高強的優(yōu)點[11],借鑒毛竹的結(jié)構(gòu)特征,對纖維增強管狀復合材料進行結(jié)構(gòu)設計,使纖維的分布密度、排列形式和樹脂基體排列等發(fā)生變化,有望獲得全新的復合材料。
毛竹的仿生研究是基于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律。常見的透視檢測技術(shù)有超聲波檢測、X射線檢測、核磁共振檢測等。超聲波檢測穿透能力強,但對形狀比較不規(guī)則的或者是非均質(zhì)材料的檢查不夠精確;核磁共振能進行多方位成像,但檢測不如X射線敏感,且用時較長。X射線三維顯微鏡(顯微CT)檢測適應性強,能適應不同形狀組成的樣品,具有強大的細節(jié)分辨能力。近年來,X射線三維顯微鏡被廣泛地應用于巖石開裂特性[12]、巖芯孔隙[13]、陶器樣品微觀結(jié)構(gòu)[14]、土壤孔隙網(wǎng)絡[15]和復合材料微細觀結(jié)構(gòu)[16]等生物、材料、礦石等研究領域,技術(shù)較為成熟,其能清晰地展現(xiàn)測試樣品的孔隙特征和三維結(jié)構(gòu),這與毛竹多孔基體包覆結(jié)構(gòu)具有良好的適應性。為此,本文采用X射線三維顯微鏡對毛竹的橫截面進行分析,研究毛竹的維管束和薄壁細胞的結(jié)構(gòu)特征和變化規(guī)律,以期為仿竹復合材料的設計提供一定參考。
針對不同部位和年份的毛竹,向娥林[17]研究發(fā)現(xiàn),不同竹齡(10 d、30 d、0.5 a、1 a、3 a、5 a)的毛竹隨著竹竿老化成熟,維管束尺寸逐漸增大且分布稀疏,在30 d至5 a后基本保持穩(wěn)定狀態(tài),同時維管束形態(tài)在成熟期保持穩(wěn)定。針對不同生長期的毛竹進行研究發(fā)現(xiàn),不同竹齡的成熟毛竹結(jié)構(gòu)特點相似。對毛竹上、中、下部的維管束的研究發(fā)現(xiàn),不同竹齡的毛竹在徑向上維管束分布密度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢?;谘芯咳藛T對毛竹維管束的研究,年份、部位的變化帶來了維管束體積分數(shù)總量上的差異,但沒有造成基本結(jié)構(gòu)特征的變化[18-19],因此,本文選取了江蘇鎮(zhèn)江毛竹,2 a生,生長發(fā)育良好,取中段部位,沿毛竹軸向切取樣品,考慮到樣品固定方便和獲取圖像的高分辨率,將樣品制作成約為0.2 cm×0.2 cm×1 cm的長方體。
本文采用美國蔡司公司生產(chǎn)的610/Xradia610Versa X射線三維顯微鏡,該系統(tǒng)使用獨特的二級放大技術(shù),即幾何放大和光學放大成像,最終由高靈敏度高分辨率CCD相機獲得數(shù)字圖像,其原理如圖1[20]所示。
圖1 X射線三維顯微鏡光學放大原理Fig.1 Optical magnification principle of X-ray three-dimensional microscope
1.2.1 X射線三維顯微鏡掃描及三維圖像重構(gòu)
將制好的毛竹樣品固定在X射線三維顯微鏡的載物臺上,掃描開始時試樣隨樣品臺轉(zhuǎn)動,由左側(cè)光源處發(fā)射X射線,其穿透樣品臺上的試樣,經(jīng)閃爍片、放大器及快速CCD相機,由數(shù)據(jù)軟件處理實現(xiàn)對試樣結(jié)構(gòu)高精度成像,成像精度達到微米級。其重構(gòu)過程為利用一次圓周掃描獲取系列透視圖像,然后采用相應重建算法,使重建樣品區(qū)域為吸收系數(shù)u的三維分布。
1.2.2 維管束和薄壁細胞面積測定
利用Image-pro plus6.0圖像分析軟件對毛竹截面進行選區(qū)染色,染色后使維管束與薄壁細胞之間的界限更加明顯,根據(jù)截面圖像的比例尺設定標尺,最后測量面積。
毛竹樣品經(jīng)X射線三維顯微鏡重構(gòu)后形成立體圖像,重構(gòu)后三維圖像上主要分布有2種顯示亮度的組分,如圖2所示。分別是亮度較低的孔隙部分和亮度較高的陰影部分。從圖2可以看出,毛竹立體結(jié)構(gòu)為三維包覆結(jié)構(gòu),與其天然纖維素復合材料的結(jié)論一致。初步觀察可見,圖中有2種形態(tài)的孔隙結(jié)構(gòu),較小孔隙位于柱體四周,較大孔隙位于截面表面。
圖2 毛竹三維重構(gòu)圖Fig.2 Three-dimensionsal reconstruction of moso bamboo
毛竹節(jié)間橫截面的X射線三維顯微鏡圖像(重構(gòu)圖像的上表面)如圖3(a)所示。
圖3 毛竹橫截面及其定義Fig.3 Cross-section of bamboo and its definition. (a) Bamboo cross-section image;(b) Definition of components of moso bamboo
由圖3(a)可以看出,毛竹橫截面主要由維管束和基本薄壁組織組成,其中維管束是由高度木質(zhì)化的纖維鞘(纖維細胞)、導管孔和多孔相結(jié)構(gòu)組成?;颈”诮M織則由大量薄壁細胞排列構(gòu)成,如圖3(b)所示??蓪⒚窬S管束、薄壁細胞包覆結(jié)構(gòu)視為以維管束為纖維增強體、薄壁組織為樹脂基體的纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)。其中維管束是毛竹的主要力學承重結(jié)構(gòu),薄壁細胞起到填充和應力緩沖的作用。
維管束是毛竹主要的力學承重結(jié)構(gòu),在仿竹復合材料研究中的應用最為廣泛,主要研究內(nèi)容為維管束在毛竹徑向上的結(jié)構(gòu)變化,即沿維管束的形態(tài)變化、面積大小變化和體積分數(shù)變化。維管束呈連續(xù)纖維狀,通常將維管束視為纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)中的纖維部分,通過分析維管束的分布規(guī)律可獲得纖維在復合材料中的分布。
2.2.1 維管束長短軸變化規(guī)律
將圖3(a)中的維管束形態(tài)利用IPP6.0進行染色處理,截取維管束部分,利用Adobe IIIustrator對處理后的圖像重繪并細化處理,得到維管束截面圖像如圖4所示。圖中白色和灰色孔狀結(jié)構(gòu)均為導管孔,其中灰色部分在原圖中顯示較為模糊。
圖4 維管束分布圖Fig.4 Vascular bundle distribution diagram
毛竹橫截面維管束存在2種形態(tài),半開放型維管束和開放型維管束,如圖5所示。將維管束的橫向定義為短軸,縱向定義為長軸。根據(jù)維管束的形態(tài)差異可將毛竹竹壁分為內(nèi)外兩側(cè),其中開放型位于橫截面的內(nèi)側(cè),半開放型位于橫截面的外側(cè)。從圖可以看出,由外到內(nèi)維管束形態(tài)逐漸由半開放型向開放型過渡。半開放型維管束呈2瓣結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)分為2部分,上部為單獨纖維鞘,下部纖維鞘抱合在一起。開放型維管束為4瓣結(jié)構(gòu),4個纖維鞘呈現(xiàn)分離態(tài)。
圖5 毛竹維管束由外到內(nèi)形態(tài)變化Fig.5 Vascular bundle of moso bamboo changes from outside to inside
從整體變化趨勢上看,半開放型維管束的平均長軸長度大于開放型維管束的,但與短軸均值相比則較小。結(jié)合維管束內(nèi)外形態(tài)分析,由于維管束2瓣結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)上下分離、左右抱合狀態(tài),這種結(jié)構(gòu)拉長長軸距離的同時縮短了短軸距離。當維管束過渡為4瓣結(jié)構(gòu),4個纖維鞘相互獨立時,維管束左右方向上短軸變長,上下2瓣向中心靠攏使長軸變短。內(nèi)外兩側(cè)維管束長短軸平均比值分別為1.039 6和1.332 0。由竹璧外側(cè)到內(nèi)側(cè),維管束長軸均值由0.35 μm增大到0.41 μm,短軸均值由0.47 μm減小到0.43 μm。
維管束長軸逐漸變小,短軸逐漸變大,最后長短軸趨于一致,且形態(tài)逐漸穩(wěn)定為4瓣結(jié)構(gòu)。對于仿生復合材料而言,維管束的長短軸形態(tài)變化在纖維上表現(xiàn)為纖維截面的變化??梢酝ㄟ^在復合材料的內(nèi)外兩側(cè)采用不同截面的纖維來實現(xiàn)類似于維管束長短軸變化。
2.2.2 維管束組分分布規(guī)律
在纖維增強復合材料設計中,通常將維管束看成是長纖維,因此,維管束組分分布規(guī)律的研究將為復合材料中纖維的排列提供一定參考。維管束的面積主要是由纖維相(纖維鞘和多孔相結(jié)構(gòu))和導管面積組成的[21]。在竹壁組織中,維管束是決定毛竹力學性能的主要成分[22]。而纖維相又是維管束的重要力學結(jié)構(gòu)單元,所以纖維相的面積占比影響著毛竹的力學性能。導管則是由一種死亡的只有細胞壁的細胞構(gòu)成,呈上下貫穿結(jié)構(gòu)。本節(jié)主要研究維管束的變化規(guī)律,從維管束的面積分布和體積分數(shù)2個方面進行分析。維管束基本面積公式為:維管束面積=纖維相面積+導管面積。
2.2.2.1維管束面積及其分布規(guī)律 本文橫截面中共有15個完整的維管束結(jié)構(gòu),根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)將其分為半開放型維管束(位于外側(cè))和開放型維管束(位于內(nèi)側(cè))。結(jié)合維管束形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),2瓣結(jié)構(gòu)向4瓣結(jié)構(gòu)過渡過程中維管束形態(tài)發(fā)生改變,面積隨著形態(tài)的變化發(fā)生變化。每個單獨的維管束中共有3個導管孔,外觀呈橢圓形。表1示出竹壁內(nèi)外兩側(cè)維管束和導管的面積,開放型維管束中的維管束與導管面積均大于半開放型中的面積。開放型維管束導管面積范圍變化小,大小較均勻,單個面積占維管束面積不到十分之一。維管束面積和導管面積由外到內(nèi)呈增大趨勢。
表1 維管束和導管面積均值Tab.1 Mean area of vascular bundle and vessel mm2
纖維相結(jié)構(gòu)是維管束主要力學結(jié)構(gòu)單元,探究由外到內(nèi)纖維相面積占比的變化,從而得到其在維管束內(nèi)總體的變化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)半開放型維管束中纖維相面積占比大于0.87,大于開放型維管束中該部分面積占比0.82??傮w上看,纖維相占維管束的絕大部分,是維管束最主要的成分。
在設計纖維增強復合材料時,維管束視為復合材料的纖維增強體部分,由外到內(nèi)面積呈增大趨勢,在復合材料中由外到內(nèi)纖維直徑應該逐漸增大。
2.2.2.2維管束體積分數(shù)及中心軸距變化 為量化2個維管束間的距離變化,將維管束中心軸距定義為相鄰2個維管束間其長短軸交點的距離。以維管束的體積分數(shù)和中心軸距為指標,將橫截面圖像由外到內(nèi)均勻分為4個區(qū)域(圖6(a)中A為起始點)),作出由外到內(nèi)變化趨勢如圖6(b)所示。
圖6 維管束各區(qū)域及變化Fig.6 Vascular bundle area and variation. (a) Sectional area distribution; (b) Variation of vascular bundle volume fraction and wheelbase
由圖6可知,維管束由外到內(nèi)體積分數(shù)逐漸減小,相鄰維管束中心軸距逐漸增大,在截面圖上呈現(xiàn)維管束逐漸稀疏趨勢,2個維管束間薄壁細胞面積逐漸增多。
維管束的體積分數(shù)、軸距的變化證實了毛竹的梯度分布結(jié)構(gòu),這種梯度分布結(jié)構(gòu)正是毛竹力學性能的重要保證。通過研究可以將這種結(jié)構(gòu)應用于復合材料纖維設計中,設計出具有梯度結(jié)構(gòu)的復合材料。
2.3.1 薄壁細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)
薄壁細胞作為基體結(jié)構(gòu),在細胞間起到填充的作用,力學性能上起應力緩沖作用。在復合材料結(jié)構(gòu)中通常將薄壁細胞視為樹脂基體。薄壁細胞呈小孔狀,結(jié)構(gòu)近似為不規(guī)則橢圓形,個體間排列緊密,又相對獨立,填充在維管束間,其直徑為8.7~54.0 μm。薄壁細胞邊緣與維管束的纖維鞘部分相鄰,導管被纖維鞘包裹,為空心結(jié)構(gòu),呈V字分布如圖7(a)所示。薄壁細胞將毛竹橫截面劃分為4個區(qū)域,呈現(xiàn)X型分布如圖7(b)所示。
圖7 毛竹橫截面圖像Fig.7 Moso bamboo cross-section image. (a) Local enlarged cross-section diagram; (b) Local magnification of cross-section image
2.3.2 薄壁細胞面積變化規(guī)律
將毛竹橫截面由外到內(nèi)分為4個區(qū)域(見圖6(a)),觀察到薄壁細胞面積由外到內(nèi)呈現(xiàn)一定變化趨勢,在各區(qū)域內(nèi)各選取30組薄壁細胞,通過IPP6.0圖像處理得到單個薄壁細胞面積,并分析其變化趨勢。表2示出單個薄壁細胞面積隨距離A點所在切線距離的增加而逐漸增大??芍?,毛竹薄壁細胞由外到內(nèi)面積逐步增大,與各區(qū)域維管束中心軸距離呈現(xiàn)相似的變化趨勢。由外到內(nèi)各薄壁細胞面積逐漸增大,相鄰維管束中心軸距逐漸增大,進一步證實了毛竹的梯度分布結(jié)構(gòu)。在仿生復合材料中,薄壁細胞類似于樹脂基體,由此可將這種規(guī)律性變化應用到樹脂的變化中。由薄壁細胞個體的增大可得其單位面積內(nèi)數(shù)量減少,所以由外到內(nèi)薄壁細胞由密變疏,樹脂的設計也可呈現(xiàn)這種變化。
表2 單個薄壁細胞面積隨點A所在切線距離的變化Tab.2 Changes of single parenchyma cell area
本文利用X射線三維顯微鏡研究了毛竹橫截面微觀結(jié)構(gòu)。將毛竹橫截面視為纖維增強的復合材料結(jié)構(gòu),其中維管束視為纖維增強體,薄壁細胞視為樹脂基體。毛竹維管束長、短軸形態(tài)由外到內(nèi)長軸變短、短軸變長,最后逐漸趨于穩(wěn)定;由外到內(nèi)維管束面積呈增大趨勢,且維管束的體積分數(shù)逐漸減小,纖維相面積和相鄰維管束中心軸距增大;毛竹單個薄壁細胞面積沿著外部向內(nèi)部過渡,呈逐漸增大趨勢,由此得出毛竹截面的梯度變化規(guī)律。將這種梯度變化規(guī)律應用到纖維增強復合材料的設計中,通過改變纖維和樹脂的分布以實現(xiàn)仿生復合材料整體結(jié)構(gòu)的梯度變化。