竹材何以媲美鋼材，纖維的梯度分布在“作怪”
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竹子的應(yīng)用領(lǐng)域不斷被拓展，從常見的竹地板到福特公司的汽車零部件。竹子質(zhì)輕而堅韌，是一種自然性與功能性并存的材料。近來，來自日本北海道大學(xué)、熊本縣立大學(xué)和山梨大學(xué)的研究人員通過研究竹材的纖維分布特性獲得了設(shè)計輕質(zhì)高強的圓筒形復(fù)合材料思路。
竹子是一種最典型天然的功能梯度材料。 從結(jié)構(gòu)上看，竹子是一種纖維增強復(fù)合材料，由兩種主要的組織組成: 作為增強作用的纖維(維管束) 和作為基體的薄壁細(xì)胞，這些纖維有很強的剛性，可以與鋼筋媲美。為了識別竹材莖稈中增強纖維的分布特性與竹稈抗彎剛度之間的關(guān)系，研究人員研究了竹材橫截面中的纖維分布。
研究發(fā)現(xiàn)，竹材橫截面木質(zhì)部分中的纖維分布是不均勻的。纖維密度從內(nèi)到外逐漸變大，呈偏分布狀態(tài)，這表明竹材外部的機械性能比內(nèi)部強。這也是竹子能夠抵御強烈側(cè)風(fēng)的原因。將真實的竹材纖維分布的數(shù)據(jù)與理論上推導(dǎo)出的纖維分布數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩者相差無幾。在發(fā)現(xiàn)有大量纖維的竹稈基部的地方，實際的纖維分布符合理論推導(dǎo)出的二次型梯度分布；在相對于稈基部具有較少纖維的竹稈梢部，實際數(shù)據(jù)符合理論上計算的線性分布。
研究人員發(fā)現(xiàn)，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布來使其以更小的體積具有更大的抗彎剛度。由此得到啟發(fā)，可以通過模仿竹材的纖維梯度分布，開發(fā)出輕質(zhì)高強的圓筒形復(fù)合材料。近年來，模擬動物和植物生存條件的仿生學(xué)解決了新型材料開發(fā)中的許多問題，竹材輕質(zhì)高強特性在新材料開發(fā)中的應(yīng)用是植物防生學(xué)應(yīng)用的又一例證。
研究人員發(fā)現(xiàn)，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布來使其以更小的體積具有更大的抗彎剛度。由此得到啟發(fā)，可以通過模仿竹材的纖維梯度分布，開發(fā)出輕質(zhì)高強的圓筒形復(fù)合材料。近年來，模擬動物和植物生存條件的仿生學(xué)解決了新型材料開發(fā)中的許多問題，竹材輕質(zhì)高強特性在新材料開發(fā)中的應(yīng)用是植物防生學(xué)應(yīng)用的又一例證。
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