高分子材料——中文翻译

纳米结构和机械表征竹纤维的细胞壁
摘要：
竹子是一种天然的生物复合材料,它具有优异的机械强度和韧性。

大自然用于制作竹秘方是什么？这里，报告发现，具有鹅卵石状的多边形竹纤维的细胞壁，纳米纤维晶粒的直径为21-198 nm的。

这些纳米晶粒是基本模块，被用来构建个别竹纤维。

纳米力学性能测试，纳米结构的竹纤维的性质，不脆，有点韧性。

参照个人竹子组件层次结构和力学性能，对竹纤维增强机制进行了讨论。

关键词：
天然材料；竹；光纤细胞壁；纳米结构；原子力显微镜；纳米压痕。

1、介绍。

作为一个典型的天然生物材料，它具有独特的多尺度结构和优异的机械性能，竹长期以来被科学家作为仿生复合材料的设计，是最广泛的引用模型之一。

这是众所周知的，竹子是1种纤维增强的梯度功能的复合材料，其优异的机械强度和韧性，归因于它的纤维。

大自然用于制作竹秘方是什么？并不多尺度结构在发挥竹的韧性，扮演什么样的角色？在这里，我们讨论竹纤维的细胞壁，为了解纤维的生长和成熟；其机械性能又促进纳米级结构仿生材料的的发展。

自然机制形成的合成材料，具有高度复杂性和优雅性。

竹，作为人类最重要的天然生物材料之一，特别是在亚洲。

长期以来，人们一直广泛使用竹子，如建筑用途、以及纸浆和造纸工业中。

这是众所周知的竹子，优异的机械性能，主要归因于它的单向取向。

竹纤维分布在节间维管束周围中。

如何将这些分布相对分散的纤维鞘，做成强度和韧性的竹秆？像许多天然生物材料，如骨、珍珠、深海海绵和木材，竹子具有从分子尺度上的宏观层面的层次结构。

在微尺度一级，它已被证明，纺锤状短细小的纤维的长度为1.9毫米，并在两端逐渐变细，形成直径为15.3微米的插层，彼此之间形成纵向纤维帽结构。

对于每个单独的纤维，纤维细胞壁有一个polylamellate的具有交替的宽的和窄的片晶结构。

竹纤维的力学性能仍然缺乏文献记载。

迄今为止，结构和机械特性的竹子主要在宏、微观水平进行。

很少有报道在纳米尺度上的结构和单个的竹纤维等成分的力学性能。

现有的强韧化机制，用模拟和计算研究超高强度和韧性的竹子是完全无法解释的。

这表明，未揭露结构的秘密，显示出强度和韧性的竹。

在这里，我们限制我们的工作重点，以竹纤维细胞壁为研究对象。

在这项研究中，竹纤维的细胞壁的纳米结构，其特征在于，使用原子力显微镜（AFM）。

硬度和弹性模量的纤维细胞壁测定使用纳米压痕和压痕变形的机制，参照其纳米级的结构，分别对硬度和弹性模量进行了讨论。

2、实验细节。

在这项研究中，一个6岁且超过一年的干燥环境条件中的毛竹（位于萧山区、中国杭州）。

这种干燥竹在实际应用中被广泛使用。

标本切片，以获得表面光滑的样本，用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM），原子力显微镜（AFM）和纳米压痕研究。

也可以用不同的纤维或纤维沿不同方向切片。

切片机切面注意保持原有的表面特征，避免了人工特征，用传统的研磨和抛光等工序处理。

原子力显微镜的观察结果与Veeco的外形尺寸3100 AFM系统（Veeco 公司计量集团）。

甲尖锐与标称半径小于10nm的硅尖使用轻敲模式的原子力显微镜的样品表面的图像。

纳米压痕试验进行与Veeco公司系统一起使用Troboscope纳米力学测试系统（Hysitron公司），在室温22±0.5℃，相对湿度为45±2％。

Hysitron纳米压痕监测和记录的力的压头的负载和位移，一钻石Berkovich三棱锥，分辨率约50 nN的和为约0.1 nm的位移分辨率。

压头的形象和定位的竹纤维细胞壁，然后根据提示，在原地缩进相同的细胞壁。

压痕给我留下了深刻印象，成像具有相同的提示。

测试后成像提供的能力，以验证该测试是在预期的位置，它的可靠性说明数据和辅助的试验结果。

每个纳米压痕测试之前，热漂移通过引入的样品被自动跟踪，记录具有最低的接触载荷的顶表面接触纳米压痕。

当所有的纳米压痕测试进行时的热漂移或振动引起的机械漂移下降到0.01 nm / s时，通过分析以下方式获得的载荷——位移曲线，从中减去漂移效应的硬度和弹性模量。

一个典型的压痕实验由四个后续的步骤：接近表面加载到峰值负载，保持在峰值负载的压头为5秒，最后完全卸载。

包括保持步骤，以避免卸载曲线的特性，因为用于获得的材料的弹性模量受蠕变的影响。

硬度和弹性模量，计算出的负荷——位移的纳米压痕法测定得到的数据，是根据上奥利弗Pharr的方法。

纳米压痕硬度定义：压痕的投影接触面积除以压痕载荷。

这是，物质支持负载下的平均压力。

从载荷——位移曲线，硬度可以以下方式获得在峰值负载
（Pmax是的峰值负载和Ac是投影的接触面积。

）
纳米压痕弹性模量开始计算使用了Oliver-Pharr的数据分析程序，卸载曲线拟合的幂律关系。

卸载刚度，可以得到从卸载曲线，S = DP /的dh的初始部分的斜率。

在此关系的基础上，开发的Sneddon，可以被描述为固体的固有平滑函数，与独立的几何形状的关系，涉及接触刚度，接触面积，和弹性的弹性半空间以及缩进弹性模量，可以推导如下：
（其中β是常数，取决于几何形状的压头(β= 1.034的Berkovich压头))，Er是弹性模量降低，发生弹性变形的一个事实，即在两个样品中的帐户并压头。

由下式给出:
(其中E和v分别是相同数量的弹性模量和泊松比的样品的Ei和vi压头)。

3、结果与讨论。

（图1）显示了竹纤维在不同尺度层次的组织。

可以看出，主轴类似短的细小纤维，两端呈锥形，插秆彼此沿纵向。

广义和狭义交替层状的纤维细胞墙呈现出polylamellate的的结构。

中间层是最外层的层，然后由主壁和次生壁。

狭窄层由单向微纤丝层，或者在横向和纵向的薄片组成；广泛层是矩阵。

在这项研究中，我们限制了我们关注的焦点竹纤维细胞壁。

为了证实我们发现的竹纤维细胞壁中的纤维素纳米颗粒，竹秆被切开（图3 a和b），显示竹纤维的纵截面的光学图像，可以看出，纤维线之间纵向薄壁细胞分布。

原子力显微镜观测揭示了多层膜的功能（图3 C-E），并进一步确认纤维细胞的壁内（图3 F-H）纳米晶粒的存在的。

纵截面上的层状结构是不清晰的，横截面的晶粒，也发现在细胞壁纵向紧密堆积。

这些纳米晶粒都被用来构建个别竹纤维的基本构造块。

从两个横向/纵向部分（原子力显微镜图像在图2 和图3），可以看到，纳米晶粒在组成纤维细胞壁是随机取向的。

因此，对竹横向和纵向的机械性能的影响是相同的。

竹纤维具有什么样的机械性能？在这项研究中，钻石探针尖端的压痕被用来描述竹纤维细胞壁，然后在原地位置的压头在细胞壁上进行纳米压痕测试。

不同的缩进负载，写入竹纤维阵列的横截面上。

图4 示展示出了纤维的细胞壁，有代表性的压痕载荷——位移曲线，以及硬度和弹性模量作为一个参数的凹陷的AFM图像。

纳米压痕接触深度范围从200至300nm，这大于在细胞壁中的个别纳米晶粒的尺寸。

纳米压痕硬度和弹性模量，是许多纳米颗粒的平均结果。

没有观察到裂缝，表明在这些纳米晶粒（图4-a和b）的角部之间良好的粘接。

从打桩机周围的纳米压痕的印象，可以看出。

压痕加载和卸载曲线是平滑的，没有任何的间断（图4 C）。

所有这些都表明，竹纤维细胞壁不脆，有韧性。

压痕载荷——位移曲线，显示出一个典型的弹塑性变形特性。

此外，我们发现，在室温下，机械性能保持在峰值缩进段期间发生的蠕变与时间的关系。

细胞壁纳米压痕硬度和弹性模量的值分别是0.44±0.09 GPa和10.4±1.8 GPA。

这些值有很好的一致性，与其他各组报告有相同的结果。

此外，纳米压痕也测试行了竹实质细胞壁。

（表1 列出了竹纤维薄壁细胞细胞壁的硬度和弹性模量的值。

）纤维细胞壁表现出比实质细胞壁高出三倍的弹性模量。

比较硬度值，可以得出竹纤维作为增强矩阵薄壁细胞。

根据混合复合材料法则，竹纤维的主要贡献的硬度（韧性）。

为了简化问题，我们在这里讨论的薄壁细胞转化为统一的矩阵。

竹的弹性模量，可以从下面的公式计算出：
EB = EfVf + EpVp
这里，Eb，Ef和Ep分别是竹秆，纤维和薄壁细胞（基质），弹性模量。

Vf 为各自的纤维和薄壁细胞的体积分数。

我们假设VF = 40％和Vp = 60％。

当竹秆的弹性模量被计算为6.2 GPa时，这是接近竹秆的实验测得的弹性模量。

所有这些信息也需要相应的仿真和建模工作，建立正确的边界条件，并输入正确的参数。

这可能会提供额外的指导方针，而设计出具有优越性能的“人造竹”复合材料。

表1 纳米压痕测试获得的硬度和弹性模量的值。

竹组件硬度（GPA）弹性模量（GPa）
纤维细胞壁0.44±0.0910.4±1.8
薄壁细胞壁0.43±0.22 3.4±1.3
4、结论。

总之，竹子高度的组织设计是非常艰难的，竹子复合材料具有强大的多
尺度结构。

在竹纤维细胞壁中，形如多边形的鹅卵石状、直径为40-100纳米的纤维素纳米晶粒，被用来构建个别竹纤维的基本构造块。

纳米晶结构的竹纤维的性质，不脆，有点韧性。

细胞壁纳米压痕硬度和弹性模量的值分别是0.44±0.9 GPa和10.4±1.8 GPA。

在这里原子力显微镜和纳米压痕技术的应用，为我们找到更多的天然生物材料的特性。