梁山慈竹多尺度力學(xué)性能研究.pdf

1、T h e R e s e a r c h o n M u l t i - s c a l e M e c h a n i c a l P r o p e r t i e so fD e n d r o c a l a m u s f a r i n o s u sb yX iY a n gA t h e s i ss u b m i t t e d i np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f

2、t h eR e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fM a s t e ro f E n g i n e e r i n g● l nW o o d S c i e n c e a n dT e c h n o l o g yi nC e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t yo f F o r e s t r ya n d T e c h n

3、 o l o g y4 9 8S h a o s h a nS o u t hR o a d ，T i a n x i nD i s t r i c tC h a n g s h a H u n a n 4 10 0 0 4 ，P ．R ．C H I N AS u p e r v i s o rP r o f e s s o rX i a n j u n L ia n d A s s o c i a t e X i n g e L i

4、uJ u n e ，2 0 1 4摘 要竹材是一種具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的天然纖維增強復(fù)合材料，集高強、高韌和剛性于一身，廣泛應(yīng)用于建筑工程。多年來竹材工業(yè)化利用形成了依賴散生竹的單一模式，因此開發(fā)叢生竹作為建筑材料等高附加值產(chǎn)品，可以緩解散生竹資源短缺，滿足建筑業(yè)日益增長的對綠色環(huán)保材料的需求。叢生竹竹材的力學(xué)性能是決定其加工利用最重要、最直接的性能指針，建立從宏觀到微觀的完整力學(xué)測試和研究體系，不僅有助于從生物力學(xué)角度理解竹子的生長機制，

5、而且對開發(fā)仿竹建筑結(jié)構(gòu)材料及其它科學(xué)合理利用都有重要指導(dǎo)意義。本文以叢生竹梁山慈竹( D e n d r o c a l a m u s f a r i n o s u s ) 為研究對象，采用單根纖維拉伸、納米壓痕技術(shù)等技術(shù)手段，系統(tǒng)研究了梁山慈竹的宏觀和微觀力學(xué)特性，揭示了竹齡、竹材部位等因素對竹材宏觀、微觀力學(xué)性能和微纖絲角的影響規(guī)律，構(gòu)建了梁山慈竹相關(guān)的力學(xué)模型，為全面理解梁山慈竹復(fù)雜力學(xué)行為的本質(zhì)和梁山慈竹的高附加值利用提供了

6、理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。本文得到如下研究結(jié)果：1 ．揭示了梁山慈竹宏觀力學(xué)特性及其變異規(guī)律。梁山慈竹宏觀拉伸強度和彈性模量分別為2 8 9 ．0 6 M P a 和2 1 ．1 7 G P a ，彎曲強度和模量分別為1 8 3 ．9 9 M P a 和1 4 ．0 2 G P a ，壓縮強度和模量分別為6 1 ，4 0 Ⅷa 和l 7 ．5 2 G P a ，剪切強度為1 2 ．5 M P a ，沖擊韌性為3 5 2 0 ．7 1 4 K

7、J ／m 2 ：隨竹齡增加，梁山慈竹順紋抗壓強度和彈性模量呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，4 年生時達(dá)到最大值；順紋抗拉強度隨竹齡增加略成減小趨勢；彎曲強度和順紋抗剪強度隨竹齡增加變化較??；沖擊韌性隨竹齡增加呈增大趨勢；除沖擊韌性外梁山慈竹其他力學(xué)性質(zhì)皆隨竹稈高度的增加而增大。2 ．探明了梁山慈竹單根纖維的力學(xué)特性及其變異規(guī)律。梁山慈竹單根纖維的拉伸強度、彈性模量和斷裂伸長率平均值分別是1 ．0 6 G P a 、2 6 ．9 3 G P

8、 a 和3 ．8 4 ％；隨著竹齡增加，梁山慈竹單根纖維拉伸強度和彈性模量呈增大趨勢，斷裂伸長率則隨竹齡增加而減??；單根纖維拉伸強度在竹干高度和和徑向方向的變異性較小，而彈性模量沿竹高從基部至上部表現(xiàn)出減小趨勢，沿徑向從竹青至竹黃面表現(xiàn)出增大趨勢，斷裂伸長率的變化情況與彈性模量正好相反。3 ．探明了梁山慈竹細(xì)胞壁壓縮力學(xué)特性及其變異規(guī)律。在氣干狀態(tài)下，梁山慈竹纖維4 個竹齡細(xì)胞壁的平均模量和硬度分別為1 7 ．8 7 G P a 和4