竹子--天然复合材料

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竹子---天然复合材料

李志鹏高分子091 5701109017

竹子

竹为高大、生长迅速的禾草类植物,茎为木质。分布于热带、亚热带至暖温带地区,东亚、东南亚和印度洋及太平洋岛屿上分布最集中,种类也最多。

枝杆挺拔,修长,四季青翠,凌霜傲雨,倍受中国人民喜爱,有“梅兰竹菊

君子之一,“梅松竹”岁寒三友之一等美称。中国古今文人墨客,嗜竹咏竹者众多。

然而,竹子也是一种天然的复合材料,有着优良的力学结构,作为一种天然的材料,即成本低友环保。

竹子的分类:竹的种类很多,合计种、变种、变型、栽培品种计500余种,大多可供庭院观赏,著名品种有:楠竹、凤尾竹、小琴丝竹、佛肚竹、大佛肚竹、寒竹、湘妃竹、冷箭竹、大箭竹、唐竹、泰竹、大泰竹、孝顺竹、粉单竹、牛耳竹、方竹、四川方竹、龙拐竹、车筒竹、青皮竹、粉单竹、短穗竹、黄竹、花秆黄竹、巨龙竹、拐棍竹、光巨竹、阔叶箬竹、水银竹、人面竹、毛竹、花毛竹、花竹、紫竹、斑竹、龟甲竹、淡竹、刚竹、苦竹、金竹、龟纹竹、银链竹、玉边竹、茶秆竹、矢竹、泡竹、罗汉竹、苗子竹、鹅毛竹、刺竹、菲黄竹、华箬竹、墨竹等用途

竹子的化学组成:

综纤维素、多戊糖、木质素、苯醇抽出物。不同类型间综纤维素和木质素平均含

量差异极显著;不同竹龄间综纤维素、木质素和苯醇抽出物平均含量差异极显著。竹茎的化学成分类似于木材,但又有别于木材。竹茎主要由纤维素、半纤维素和木素组成,一般来讲,整竹由50%~70%的全纤维素、30%的戊聚糖和20%~25%的木素组成,竹子的化学成分在不同的属种之间会有一些差别,部分原因是与微管束类型的不同有关。竹茎的基本化学成分也与竹杆高度及部位有密切关系,如竹杆外侧的纤维素明显多于竹杆内侧,而竹杆内侧的木素又明显多于竹杆外

竹子的力学性能优势:

竹子是自然界存在的一种典型的、具有良好力学性能的生物体。它强度高、弹性好、性能稳定 ,而且密度小 (只有0 . 6~1 . 2 g/ cm,)虽然钢材的抗拉强度为竹材的 2 . 5~3 . 0倍 ,但钢材的密度却为竹材的 10倍左右 ,因此 ,按比强度计算 ,竹材的比强度比钢材高3~4倍同时 ,竹子的细长比可达1 /150~1 /250,这是常规结构难以达到的。结构决定力学性能 ,要想认识竹子这些优良的力学性能 ,就很有必要对其微观结构进行分析。

所以竹子不易断

1、竹子截面是环形的,具有较的抗弯刚度

2、竹子的纤维具有较高的抗拉强度和抗压强度(竹子是比较坚硬的),和梁一样外弯面受拉,内弯面受压。

以上两点就是确保竹子在自然状态下,不会弯断的原因。

竹子长细比大,那么他的挠度就大,所以我们可以看到竹子在自然状态下可以有很大的弯曲。当我们人为的施加过大的力时,竹子也会发生破坏(就是通常说的折断),而破坏的时候,观察发现,通常是纵向开裂,内弯面破坏。说明竹子的横向抗拉较纵向纤维的抗拉要低。而且通过观察分析我们还发现,竹子的外层(绿色的那层)纤维的抗拉强度要高于内层(白色的那层)纤维的抗拉强度。

下面说说竹节,竹子是个薄壁筒,且长细比大,竹节可以防止弯曲失稳。

竹节对竹子力学性能的影响

对竹材而言 ,竹节的抗劈强度与横向抗拉强度比其他部分高 ,但是竹节处的抗拉、抗弯和抗压强度都有所下降。由于竹节处的几何形状不同于节间 ,外部的环箍与内部的横隔板增加

了承载面积。实验表明 ,在受外力时 ,竹子并不首先在竹节处破坏 ,所以从结构的角度上来说 ,竹节增强了竹材整体的强度。同时 ,竹节可使竹筒的横向承载能力提高 3倍,因此 ,竹节可提高竹子整体结构的强度及稳定性。

复合结构:为优良的天然的复合材料,有着好的力学结构。竹材作为

天然的复合村料,有着复合结构。在轴向上,竹子纤维方向与生长方向一致,维管束散生在基本组织(薄壁细胞)中,维管束是竹材的增强材料,薄壁细胞是竹材的基体材料,维管柬对竹材的力学性能具有重要的影响。在径向上,竹材由竹青,竹肉和竹黄复合而成的三层结构,这种结构具有从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点,使竹材表现出具有明显组织梯度与性能梯度的梯度复合材料性能。在竹青,竹肉和竹黄3个层面上,通过极少轴向薄壁组织和节部纵横交错维管束来,犹如二维织物增强复合材料层合扳层间引入纤维一样,提高竹材层间强度和层间劈裂韧性。

从微观水平分析,竹材的细胞壁主要由木素、纤维素和半纤维素组成,在结构上分为胞间层、初生壁、次生壁,犹如一个多元件组成的体系,每一个层次上三种化学组成成分和排列方式均有所不忙寸。作为细胞壁骨架的微纤丝是由高度定向的纤维素组合而成,包含少量半纤维素和木质素。整个微纤丝体系是一个刚性纤维素分子链的组台体,犹如复合材料增强体纤维,在这种复合结构中,细胞壁各层内微纤丝的取向对于竹材性质有着重要影响。在复台材料中,纤维由体树脂结合在一起,而竹材则由木素结合在一起。木素为憎水的酚类物质,将碳水化合物包围并形成壳体,有助于细胞壁内各微观成分的结合,使竹材在吸湿后仍能保留强度和刚性;另外木素也提供一定的刚度和强度。如同微纤丝缠绕的纤维产品,竹材的每一种组分部与其它组分协调,在构成总的物理力学性质时,各组分的综合性能优于它们各自的单独性能。

从分子水平观察,纤维素是细胞壁骨架物质,而半纤维素、木素则是纤维索间的“填充剂”和“粘结剂”。这三种组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排列的相互间断的同心胞层,三种组分的性能对竹材的强度力学性能具有巨大的影响。纤维素为无分枝的刚性链,内部的氢键结构给纤维素的分子提供了刚度,吡喃环内以及各基团之间的共价键结合使纤维素具有特别高的抗拉强度。因此。纤维素聚合度越高,分子链越长,分子间结合力就越大,纤维强度越强,竹材的强度越大。半纤维素是线状带有支链的高分子化合物,比纤维素聚合度低,半纤维素能在分子之间或与纤维素分子之间形成氢键和缠绕结构。术素是本材主体最复杂的聚合物,到日前为止尚未完全了解,据研究半纤维素与木素之问有化学键结合,在纤维素和半纤维素之间充当接触物质。组织结构和化学组成差异直接导致了竹材性质与木材性质的差异,从上述的分析来看,竹材的力学特征表现出强烈的复合材料力学特征;因此本研究试图通过从复合材料细观力学角度来研究竹材力学性能

作为这么优异的天然复合材料,节能又环保用途是相当广泛:

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