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水分对毛竹细胞壁及宏观力学行为的影响机制

作　者: 王汉坤
导　师: 喻云水；余雁
学　校: 中南林业科技大学
专　业: 木材科学与技术
关键词: 毛竹力学性能单纤拉伸纳米压痕破坏模式
分类号: S795.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

毛竹是一种具有多级复合结构的天然纤维增强复合材料。其多级结构表明,只有建立起从宏观到微观的完整力学测试和研究体系,才能够深刻理解竹材复杂力学行为的本质。本论文在研究竹材宏观力学性能随含水率的变化之后,应用单根纤维拉伸技术和纳米压痕技术系统研究了毛竹纤维纵向力学性能随含水率的变化规律,为丰富竹材细胞尺度的力学研究内容以及竹材及竹纤维的选择利用提供实验依据；与此同时研究了毛竹的化学组成、微纤丝角等随竹龄的变异；研究了在不同含水率下毛竹材的破坏模式,并对水分引起毛竹宏观及微观力学行为的机制进行了分析,获得许多重要而关键的信息,为真正把握水分与竹材力学行为之间的作用机制提供了理论基础。以上研究内容的主要成果归纳如下：1、影响毛竹力学性能的因素主要有微纤丝角、化学成分、基本密度、含水率等,实验表明：不同竹龄毛竹微纤丝角之间绝对值差异较小,介于8.14°-10.47°之间。毛竹各主要化学成分在生长一年以后达到稳定,绝对值相差不大。不同竹龄毛竹的水分吸着等温线基本重合,毛竹幼竹的纤维饱和点偏大,薄壁细胞和竹纤维的水分吸着等温线要明显高于竹块的水分吸着等温线。2、毛竹四种力学能指标随含水率的增加而明显较小,力学性能指标表现为减小—(增加)—稳定—减小的变化趋势。毛竹四种力学性能指标对含水率变化的敏感程度存在显著差异：顺纹抗压强度>顺纹抗剪强度>顺纹拉伸弹性模量>弯曲模量影响毛竹静态力学性能水分依赖特性的主要因素是木质素含量和基本密度：基本密度和木质素含量与力学性能指标降低幅度的相关性很好,线性变化趋势明显。基本密度和木质素含量对四个力学性能指标的降低幅度的影响是不同的,按力学性能水分依赖特性受基本密度影响程度的大小排列,顺纹抗剪强度>弯曲模量>拉伸弹性模量>顺纹抗压强度；按力学性能水分依赖特性受木质素含量影响程度的大小排列,弯曲模量>拉伸弹性模量>顺纹抗剪强度>顺纹抗压强度。3、气干状态(8%)下,不同竹龄毛竹单根纤维的拉伸弹性模量相差不大,集中在27.92～33.96 GPa之间,抗拉强度的变化较为明显,范围在1.27～1.70 GPa。毛竹纤维拉伸弹模、抗拉强度均随含水率增加显著减小,断裂伸长率指标随含水率增加显著增大。4、气干状态下,毛竹纤维次生壁S2层的模量约为21 GPa,硬度约为500MPa；毛竹纤维次生壁S2层的纵向弹性模量和硬度随含水率的增大而显著减小,两者之间之间存在负相关关系。含水率对毛竹纤维次生壁S2层纵向弹性模量的影响程度小于硬度,对弹性变形的影响要大于对塑性变形的影响5、含水率对毛竹破坏模式的影响饱水状态下纤维区表现为纤维之间的分离,且分里面光滑整洁,气干状态下纤维表面有大量纤丝残留,破坏时纤丝之间差生了大量的撕裂；薄壁细胞区更为明显,饱水状态下薄壁细胞区表现为细胞之间的分离,细胞结构完整,气干状态下是薄壁细胞的断裂破坏,细胞从中间断裂。水分改变了纤丝与基质间的连接以及化学组成本身的性质,最终影响纤维的力学性能。拉伸时细胞壁各层之间因为界面的弱化而更易滑移,断裂伸长率增大。对比宏观力学性能的降低幅度,纤维的降幅要小很多,含水率的增加降低了纤维与纤维、纤维与薄壁细胞甚至是细胞壁各层之间的结合强度,致使毛竹在进行宏观拉伸时纤维与纤维、纤维与薄壁细胞、细胞壁各层之间产生一定程度的滑移而破坏了层板结构。而毛竹宏观力学性能对含水率的水分依赖特性不同,是因为受力方式不一样而导致层板结构的破坏方式不同。本研究结果表明：决定毛竹纤维力学性能水分依赖特性的主要因素是S1、S3层的微纤丝角,包括细胞壁层的微结构；宏观力学性能的水分依赖特性的影响因素较多,基本密度和木质素含量斗气很大作用,同时毛竹的构造也是一个重要因素。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
图目录  12-15
表目录  15-16
1 绪论  16-23
  1.1 我国竹子资源和产业发展概述  16-17
  1.2 竹子的分级结构及其力学特性  17-19
  1.3 含水率对竹子力学性能的影响  19-21
  1.4 论文研究目的与意义  21
  1.5 论文主要研究内容  21-22
  1.6 研究课题与经费来源  22-23
2 竹龄对微纤丝角、密度、化学组成、吸湿特性的影响  23-36
  2.1 材料与实验方法  24-28
    2.1.1 试样制作  24-25
    2.1.2 实验方法  25-28
  2.2 结果与讨论  28-35
    2.2.1 毛竹微纤丝角的竹龄变异  28
    2.2.2 毛竹基本密度的竹龄变异  28-29
    2.2.3 毛竹主要化学成分分析  29-31
    2.2.4 毛竹水分吸着特性  31-35
  2.3 本章小结  35-36
3 含水率对毛竹四种宏观力学性能的影响  36-55
  3.1 材料与实验方法  36-38
    3.1.1 试样制作  36-37
    3.1.2 实验方法  37-38
  3.2 结果与讨论  38-54
    3.2.1 竹龄对毛竹静态力学性能水分依赖特性的影响  38-46
      3.2.1.1 竹龄对毛竹宏观力学性能的影响  38-39
      3.2.1.2 含水率对毛竹顺纹拉伸弹性模量的影响  39-40
      3.2.1.3 含水率对毛竹弯曲模量的影响  40-42
      3.2.1.4 含水率对毛竹顺纹抗剪强度的影响  42-44
      3.2.1.5 含水率对毛竹顺纹呢抗压强度的影响  44-46
    3.2.2 毛竹静态力学性能水分依赖特性的影响因素  46-54
      3.2.2.1 基本密度的影响  47-50
      3.2.2.2 木质素含量的影响  50-54
  3.3 本章小结  54-55
4 含水率对毛竹纤维纵向拉伸力学性能的影响  55-72
  4.1 材料与实验方法  57-60
    4.1.1 试样制作  57-58
    4.1.2 实验方法  58-60
  4.2 结果与讨论  60-71
    4.2.1 有效数据的确定  60-61
    4.2.2 竹龄对毛竹纤维纤维纵向性能水分依赖特性的影响  61-66
      4.2.2.1 竹龄对毛竹纤维纤维性能的影响  61-62
      4.2.2.2 含水率对毛竹纤维拉伸弹性模量的影响  62-63
      4.2.2.3 含水率对毛竹纤维抗拉强度的影响  63-65
      4.2.2.4 含水率对毛竹纤维断裂伸长率的影响  65-66
    4.2.3 毛竹纤维纵向性能水分依赖特性的影响因素  66-71
      4.2.2.1 纤维纵向性能的理论计算原理  66-68
      4.2.3.2 纤维纵向性能的影响因素  68-69
      4.2.3.3 纤维纵向性能水分依赖特性的影响因素  69-71
  4.3 本章小结  71-72
5 含水率对纤维细胞壁力学性能的影响  72-83
  5.1 材料与实验方法  73-77
    5.1.1 试样制作  73
    5.1.2 实验方法  73-77
  5.2 结果与讨论  77-81
    5.2.1 有效压痕的确定  78-79
    5.2.2 含水率对次生壁S_2层模量和硬度的影响  79-80
    5.2.3 含水率对次生壁S_2层压入深度与残余变形率的影响  80-81
  5.3 本章小结  81-83
6 含水率对毛竹材的破坏模式的影响  83-92
  6.1 材料与实验方法  83-84
    6.1.1 试样制作  83
    6.1.2 实验方法  83-84
  6.2 结果与讨论  84-91
    6.2.1 含水率对顺纹拉伸破坏模式的影响  84-86
    6.2.2 含水率对顺纹抗压破坏模式的影响  86-88
    6.2.3 含水率对顺纹抗剪破坏模式的影响  88-89
    6.2.4 含水率对抗弯破坏模式的影响  89-91
  6.3 本章小结  91-92
7 结论  92-95
参考文献  95-102
感谢  102-103
攻读学位期间主要的学术成果  103

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