黃愛月 蘇勤 宗鈺容 劉煥榮

(國家林業(yè)和草原局-北京市共建竹藤科學與技術(shù)重點實驗室(國際竹藤中心)，北京，100102)

竹材是以纖維為增強相、薄壁組織為基質(zhì)的兩相復合材料[1]，纖維-薄壁組織復合界面性能是影響竹材宏觀力學性能和斷裂破壞模式的關(guān)鍵因素。剪切強度是表征復合材料界面強度的重要指標，有研究表明，毛竹順紋剪切強度平均為14.5 MPa，遠小于拉伸強度(134.1 MPa)、抗彎強度(134.4 MPa)[2]，對竹材后續(xù)加工利用有重要影響。竹材也是一種梯度復合材料，纖維組織比量沿竹壁徑向從外到內(nèi)梯度遞減，纖維組織比量對竹材的物理力學性能有決定性作用。纖維組織比量達100%時竹材的理論拉伸強度可達461 MPa，而纖維組織比量為0時竹材理論拉伸強度僅為32 MPa[3]。竹材的順紋壓縮模量、抗壓強度、抗彎強度、拉伸強度，均與維管束分布密度呈正相關(guān)[4-15]。宋光喃[16]對不同密度等級規(guī)格竹條的拉伸剪切強度研究表明，竹材拉伸剪切強度隨竹材密度增大而增大。但是目前關(guān)于纖維對竹材順紋剪切強度影響的研究較少。

為此，本研究以4年生胸徑10～13 cm的毛竹(Phyllostachysedulis)為試材，參照相關(guān)標準，從竹壁外部、中部、內(nèi)部分別制取厚度為7 mm的竹條，制備不同拉伸剪切試樣，采用萬能力學試驗機進行拉伸剪切試驗；以總纖維束面積與剪切面面積之比，計算不同剪切破壞面的斷層面積纖維比例；以斷層面積纖維比例、剪切強度為評價指標，分析斷層面積纖維比例對拉伸剪切力學行為和破壞方式的影響。旨在為毛竹材的合理加工方式和科學應用提供參考。

1 材料與方法

試驗用的毛竹(Phyllostachysedulis)，4年生，10株，胸徑為10～13 cm，采集于安徽省霍山縣；試樣均取自毛竹1.5～2.0 m之間(第11～15個竹節(jié))的節(jié)間部分，竹材的基本密度為0.65～0.68 g/cm3；采伐時間為冬季，氣干后備用。

從竹筒上劈制長度81 mm、寬度10 mm的竹條；再以10 mm厚度為依據(jù)，將竹條內(nèi)、外兩表面進行刨平；之后從竹壁外部、中部、內(nèi)部分別制取厚度為7 mm的竹條，制備拉伸剪切試樣，試樣形狀與尺寸參照文獻[17]、[18]。不同拉伸剪切試樣取樣部位、試樣尺寸以及不同拉伸剪切面在竹壁橫切面上的位置如圖1所示，每個試驗重復10個試樣。

圖1 拉伸剪切試樣示意圖

參照文獻[17]，利用萬能力學試驗機(INSTRON-5582)進行拉伸剪切試驗(見圖2)。先預加載至20 N，再以2 mm/min的速度勻速加載，直至試樣被破壞。

1為夾具；2為毛竹徑向；3為載荷加載方向。

纖維面積比例(纖維含量)測試方法(見圖3)：利用體式顯微鏡(Lumenera Infinity1)對不同剪切破壞面進行觀察并拍照；再通過CAD軟件勾畫出各個纖維束與剪切面的面積，計算出總纖維束面積與剪切面面積之比，得到不同剪切破壞面的斷層面積纖維比例。

a為剪切破壞面灰度圖；b為剪切破壞面局部放大圖；c為CAD軟件勾勒纖維束示意圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 斷層面積纖維比例對毛竹材弦向面拉伸剪切強度的影響

由表1可見：不同部位毛竹材斷層面積纖維比例和剪切強度均呈現(xiàn)一定的差異。沿竹壁徑向，竹青、竹肉、竹黃三部位竹材剪切面的斷層面積纖維比例梯度遞減；而剪切強度卻是斷層面積纖維比例為37.35%竹肉剪切面2的最佳。斷層面積纖維比例高達43.91%的竹青剪切面，其剪切強度僅為竹肉的0.97倍；這不同于竹材的拉伸、彎曲、壓縮等性能(都與纖維組織比量呈正相關(guān)關(guān)系)，但與竹材的兩相復合梯度結(jié)構(gòu)相關(guān)。

竹材維管束的拉伸強度和模量高達687.02 MPa、45.57 GPa，是薄壁細胞拉伸強度和模量(40.02 MPa、1.7 GPa)的十多倍[19-20]，因此斷層面積纖維比例對竹材的力學性能有重要影響。而竹材的順紋剪切強度，則是竹材軸向抵抗大小相等、方向相對(相反)作用力的能力，因此纖維、薄壁組織及纖維和薄壁組織界面則是決定性因素。沿竹壁徑向，隨著斷層面積纖維比例的梯度變化，不同部位竹材的纖維和薄壁組織界面形式和數(shù)量也不相同。竹青部位的剪切面斷層面積纖維比例高達43.91%，薄壁組織相對較少，纖維和纖維之間復合結(jié)構(gòu)界面的結(jié)合強度決定了竹材的剪切性能；而斷層面積纖維比例為34.92%的竹黃剪切面3，薄壁組織較多，薄壁組織的剪切破壞強度和薄壁組織界面性能決定了該剪切面的剪切強度；與剪切面1和3相比，斷層面積纖維比例介于兩者之間的竹肉剪切面2，纖維和薄壁組織含量適中，纖維和薄壁組織復合結(jié)構(gòu)界面決定其剪切強度。因此，適當比例的纖維和薄壁組織組成的復合體，增強體與基質(zhì)在性能上互補，有利于竹材的縱向剪切強度；同時竹材梯度變異結(jié)構(gòu)與其相應位置的功能強度相匹配。

表1 不同部位毛竹材弦向面拉伸剪切強度

2.2 斷層面積纖維比例對毛竹材剪切面拉伸剪切力學行為的影響

由圖4可見：3個曲線的趨勢相同，都由初始的彈性變形段、隨后的塑性變形、破壞段3部分組成，這與竹材的拉伸力學行為相似。在彈性階段，竹肉曲線斜率和相同位移時的載荷略高于竹青和竹黃，而竹青的彈性段持續(xù)略長，竹黃的彈性段最小；在彈性段，試樣還處于整體拉伸狀態(tài)，在上下兩個相反方向拉伸力的作用下，界面強度的大小決定了曲線斜率。

在彈性比例極限后剪切破壞前，試樣發(fā)生塑性變形，主要承受試樣整體的拉伸應力和剪切面的剪應力，相同位移時拉伸載荷和斷層面積纖維比例呈正相關(guān)。斷層面積纖維比例高的竹青載荷最大，因此載荷-位移曲線在達到最大破壞載荷前，高于竹肉和竹黃的載荷-位移曲線。然而，具有一定斷層面積纖維比例的竹肉載荷-位移曲線所能達到的最大破壞載荷與位移，均高于竹青和竹黃。安曉靜[20]分析竹纖維與其他組織之間的界面關(guān)系表明，竹纖維之間的界面較弱，顯著降低了竹纖維鞘的拉伸強度，而纖維鞘與薄壁組織之間的界面很特殊，有利于提高竹子的拉伸強度。因此，一定比例的纖維和薄壁組織復合界面，可在較大拉伸位移(1.34 mm)時達到破壞載荷(1 533 N)。

圖4 不同部位毛竹材剪切面的拉伸剪切載荷-位移曲線

2.3 斷層面積纖維比例對毛竹材拉伸剪切破壞模式的影響

由圖5可見：斷層面積纖維比例不同，竹材的剪切界面破壞模式不盡相同。斷層面積纖維比例高的竹青界面的竹材破壞模式，主要表現(xiàn)為纖維界面破壞和纖維的脆斷，斷口較整齊(見圖5(a))；斷層面積纖維比例適中的竹肉界面的竹材破壞模式，主要以界面破壞和分層為主(見圖5(b))；竹黃薄壁組織含量高，主要表現(xiàn)為界面破壞和竹材的整塊剪壞(見圖5(c))。試驗結(jié)果表明，斷層面積纖維比例適中的竹肉剪切性能良好，且在較大拉伸位移時才發(fā)生破壞，這與界面的破壞過程和破壞模式直接相關(guān)。

圖5 不同部位毛竹材剪切破壞表面特征

從剪切面的整體破壞形貌(見圖5)和局部破壞模式(見圖6)分析，竹材兩相復合結(jié)構(gòu)的主要拉伸剪切破壞模式表現(xiàn)為：界面破壞、纖維的拉伸斷裂(見圖6(b))、分層破壞(見圖6(a))、基體碎裂(見圖6(c))，并且具有厚度效應，有明顯的拉伸破壞現(xiàn)象。且在剪切面的不同區(qū)域表現(xiàn)的剪切破壞模式不同，如在圖5區(qū)域Ⅰ，剪切邊緣應力較集中，在切口附近主要表現(xiàn)為纖維的拉伸變形，并伴有薄層纖維的拉伸斷裂和撕裂現(xiàn)象；在區(qū)域Ⅱ破壞面較平整，主要發(fā)生界面的破壞、基體的剪切破壞和碎裂。竹材復合結(jié)構(gòu)界面，不僅決定材料的順紋剪切性能，對其破壞模式也有重要影響。

圖6 毛竹材破壞模式及模型

3 結(jié)論

斷層面積纖維比例對竹材弦向面拉伸剪切強度有重要影響，但不呈正相關(guān)關(guān)系。斷層面積纖維比例為37.35%的竹肉剪切強度達到7.18 MPa，大于斷層面積纖維比例分別為43.91%、34.92%的竹青和竹黃。

不同斷層面積纖維比例剪切面的拉伸力學行為曲線趨勢相似，但是竹肉在初始段的斜率較高，且破壞載荷和破壞時位移都較大，這與竹材的纖維和薄壁組織組成的兩相復合材料結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成的強弱相界面特性相關(guān)。

竹材兩相復合結(jié)構(gòu)的主要拉伸剪切破壞模式表現(xiàn)為：界面破壞、纖維的拉伸斷裂、分層破壞、基體碎裂，且具有厚度效應；斷層面積纖維比例高的竹青界面的破壞，主要表現(xiàn)為纖維界面破壞和纖維的脆斷；竹肉界面的破壞，主要以界面破壞和分層為主；竹黃界面的破壞，主要表現(xiàn)為界面破壞和竹材的整塊剪壞。