毛竹力學(xué)性能在竹家具中的應(yīng)用研究

汪 宏 呂悅孝 孫梟雄 多化瓊 馬 坤 張成濤

(1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院呼和浩特市010018；2內(nèi)蒙古民族大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院內(nèi)蒙古通遼028000)

竹材力學(xué)性能是竹材加工利用的重要依據(jù)之一。根據(jù)竹材的力學(xué)性能可以確定竹材的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，對竹材的培育、合理確定砍伐時間具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。隨著竹材加工技術(shù)的發(fā)展，竹材在家具行業(yè)中的利用越來越廣泛，以竹代木成為解決目前木材資源匱乏的最佳途徑[2]。現(xiàn)代家具種類多樣，數(shù)量繁多，造型豐富，竹家具設(shè)計需要遵循竹材的特性，高效利用竹材的各項(xiàng)力學(xué)性能，開發(fā)與之對應(yīng)的新型家具產(chǎn)品，才能在市場競爭中獲得優(yōu)勢，為竹材家具開拓新市場，最大化實(shí)現(xiàn)竹材利用價值。我國擁有豐富的毛竹資源，其竹林面積、竹材產(chǎn)量和質(zhì)量都居世界第一，為我國竹家具行業(yè)的發(fā)展提供了有利條件。毛竹材作為家具材料，有其特有的特點(diǎn):良好的比強(qiáng)度和比剛度；很好的彈性、順紋彎曲性以及抗壓、抗拉強(qiáng)度；材質(zhì)硬度高，韌性強(qiáng)。此外，竹材是一種可再生、低碳、環(huán)保材料，竹材應(yīng)用于家具行業(yè)符合時代要求[3]。本文論述了毛竹的力學(xué)性能，分析了毛竹在家具行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢，對竹家具行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 竹材家具應(yīng)用研究現(xiàn)狀

近年來，隨著新型技術(shù)的出現(xiàn)，竹材應(yīng)用越來越廣泛，涉及建筑、橋梁、食品、家具等多個領(lǐng)域，特別是在竹家具行業(yè)有著良好的市場發(fā)展空間。劉玉寒[4]認(rèn)為，竹材應(yīng)用于家具既符合生態(tài)設(shè)計要求也符合人性化設(shè)計要求，因此符合我國家具業(yè)的發(fā)展趨勢。陸廣譜[5]從竹家具設(shè)計中的自然生態(tài)、文化傳承與創(chuàng)新及系統(tǒng)化設(shè)計3個方面闡述了竹木家具的設(shè)計思想。陳祖建[6]認(rèn)為，竹木家具在宏觀造型上具有綠色環(huán)保、兼具框式家具和板式家具優(yōu)勢、造型豐富且樸素自然、高科技內(nèi)核手工藝外觀等特點(diǎn)。這些研究為竹材作為家具材料提供了新思路。竹子作為一種天然、綠色、環(huán)保節(jié)能材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能優(yōu)良、產(chǎn)量高、生長周期短等優(yōu)點(diǎn)[7－10]，在家具設(shè)計中得到越來越多的應(yīng)用。但目前市場上的竹家具制品仍以傳統(tǒng)樣式為主，加工簡單，缺乏品牌意識，難以滿足現(xiàn)代生活需要[11]。

力學(xué)性能是竹材基本的材性指標(biāo)，也是衡量竹材質(zhì)量的重要指標(biāo)，深入了解竹材的力學(xué)性能，對推廣竹材在家具中的應(yīng)用十分重要。目前，針對竹材不同種類、種源、竹齡、部位的力學(xué)性能進(jìn)行了系列研究。張丹[12]認(rèn)為毛竹圓竹與竹片的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度相差不大，但抗彎強(qiáng)度差異較大；馬媛媛[13]測定了安吉毛竹的彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度；李旭[14]研究發(fā)現(xiàn)，有竹節(jié)竹材的順紋抗拉強(qiáng)度低于無竹節(jié)竹材；李霞鎮(zhèn)[15－16]對毛竹材順紋抗拉和抗壓的動態(tài)破壞形式進(jìn)行了研究，細(xì)致描述了破壞時竹材的微觀變化。

在家具材料多樣化的今天，家具設(shè)計師應(yīng)從全新的角度認(rèn)識竹材的力學(xué)性能，并加以應(yīng)用，才能體現(xiàn)竹材獨(dú)特的價值。

2 毛竹力學(xué)性能在家具中的應(yīng)用

2.1 比強(qiáng)度和比剛度

通常結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量與所用材料的比強(qiáng)度或比剛度呈反比，因此比強(qiáng)度和比剛度就成為材料選擇的主要參數(shù)[17]。優(yōu)質(zhì)的家具結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度，毛竹纖維為縱向整齊排列，其結(jié)構(gòu)特性使其能以較小的截面滿足強(qiáng)度要求，同時大幅度減小結(jié)構(gòu)體的自身質(zhì)量；同樣，在相同強(qiáng)度下，比剛度越高，材料越輕。毛竹的比強(qiáng)度和比剛度高于木材，也高于普通鋼鐵?；谶@一力學(xué)性能，毛竹已被用作仿生家具材料。李景鵬[18]對竹材表面功能性氧化鋅 (ZnO)納米結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)建工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用低溫水熱法可在竹材表面制備6種形態(tài)的纖鋅礦納米ZnO，體現(xiàn)了毛竹的高比強(qiáng)度和比剛度，可以作為現(xiàn)代竹家具的仿生結(jié)構(gòu)用材。

2.2 彈性

材料的彈性對家具設(shè)計極為重要。材料彈性好，對家具能起到一定的保護(hù)作用，減小其他物件碰撞帶來的傷害。毛竹作為家具材料，具有良好的彈性，這是由其自身的組織結(jié)構(gòu)決定的:毛竹纖維組織細(xì)密、纖維層厚、纖維密度大[19]。

2.2.1 在傳統(tǒng)竹家具中的應(yīng)用

毛竹材的彈性在傳統(tǒng)竹家具中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在板面接觸部分。傳統(tǒng)的竹床、竹椅設(shè)計都應(yīng)用了毛竹彈性性能 (圖1)。圖1(左)為傳統(tǒng)竹床，其排骨架應(yīng)用了毛竹的彈性:一方面，與木質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)身體與其接觸時能產(chǎn)生有效的彈性形變，彈性形變不僅能對床起到保護(hù)作用，而且還能緩沖肢體壓力，增加舒適感；另一方面，當(dāng)人體離開竹床時，又能迅速恢復(fù)到原來的狀態(tài)，大大延長了床的使用壽命。圖1(右)為傳統(tǒng)竹椅，其座板和背板都應(yīng)用了竹材彈性，能夠減輕身體與椅子接觸時的壓力，從而避免壓力過大損壞結(jié)構(gòu)，同時也對人體起到保護(hù)作用。

圖1 竹材彈性在傳統(tǒng)竹家具中的應(yīng)用(左:竹床；右:竹椅)

2.2.2 在現(xiàn)代竹家具中的應(yīng)用

竹材彈性在現(xiàn)代竹家具中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在人體的接觸感以及使用性能方面，使竹家具從整體形態(tài)上脫離傳統(tǒng)竹家具的粗糙感，融入現(xiàn)代元素，從而喚起使用者對竹材的好感，同時在加工工藝和造型方面也進(jìn)行了創(chuàng)新 (圖2)。從圖2中可以看出，現(xiàn)代竹家具的設(shè)計呈現(xiàn)出新造型，在外觀結(jié)構(gòu)上優(yōu)于傳統(tǒng)竹家具，而且主體結(jié)構(gòu)使用了竹集成材?，F(xiàn)代竹椅整體造型更加優(yōu)美，加工精細(xì)，背板和座板具有一定的彈性，給人以舒適感，同時也擺脫了木質(zhì)椅子的生硬之感。

圖2 竹材彈性在現(xiàn)代竹椅中的應(yīng)用

2.3 順紋彎曲性

木材彎曲制品因優(yōu)美流暢的曲線造型而備受人們的喜愛，然而木材彎曲制品的成品率較低[20]。與木材相比，竹材組織結(jié)構(gòu)簡單，維管束和竹稈平行排列，因此抗劈性高，幾乎是針葉材的2倍[21]，具有良好的順紋彎曲性，適合于彎曲加工。對毛竹材進(jìn)行加工造型時，只要施加一定的外力，竹材便能穩(wěn)定地發(fā)生彎曲變形，外力撤銷后，竹材又能很快恢復(fù)到原來的形狀。毛竹材的這一特性可用于設(shè)計帶有彎曲構(gòu)件的家具。傳統(tǒng)家具造型時主要運(yùn)用熱彎曲工藝，制造一些簡單的竹編和竹雕刻家具用品。另外，傳統(tǒng)竹家具在構(gòu)件連接處經(jīng)常采用彎曲造型，復(fù)雜多變的竹編工藝也是利用竹材這一力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代竹家具可以結(jié)合竹材的彎曲特性進(jìn)行造型和功能設(shè)計，使竹家具表現(xiàn)出多變婉柔的造型形態(tài)，比木家具有更好的造型優(yōu)勢[22]。例如，臺灣設(shè)計師范承宗與手工藝術(shù)家陳高明共同完成的作品《FLOW竹椅》(圖3)就是利用了毛竹的順紋彎曲性設(shè)計而成。該竹椅將單根竹條彎曲編制組成整體結(jié)構(gòu)，融入了毛竹的自然屬性，更加凸顯了造型優(yōu)勢，為毛竹在家具中的應(yīng)用帶來全新啟示。

圖3 《FLOW竹椅》設(shè)計應(yīng)用了毛竹材的順紋彎曲性

2.4 順紋抗壓、抗拉強(qiáng)度

與同等大小的木材構(gòu)件相比，毛竹材作為結(jié)構(gòu)用材更容易滿足強(qiáng)度要求[23]，常用于制作家具的腿、柱等支撐構(gòu)件和連接構(gòu)件。毛竹材的順紋抗壓、抗拉強(qiáng)度的應(yīng)用如圖4所示。圖4(左)中的竹椅座板與靠板的傾斜度較大，需要連接件具有較高的抗拉強(qiáng)度，以發(fā)揮承載作用并在一定程度上減輕家具的自身質(zhì)量。圖4(右)中的休閑竹椅造型優(yōu)美，座面與靠背都采用傾斜設(shè)計，但是傾斜度較小，這種竹椅需承受人體的大部分重量，這就要求連接件具有很好的抗壓強(qiáng)度，整個竹椅用料纖細(xì)，整體輕盈，將竹材良好的順紋抗壓強(qiáng)度完美的展現(xiàn)出來。

圖4 毛竹材順紋抗壓、抗拉強(qiáng)度在休閑竹椅中的應(yīng)用

3 小結(jié)

在木材資源緊張的當(dāng)下，毛竹作為一種新型、綠色環(huán)保的家具用材，兼有材質(zhì)優(yōu)良、資源豐富、造價低等多種優(yōu)良特性，在現(xiàn)代室內(nèi)設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。毛竹的強(qiáng)度高、彈性好、性能穩(wěn)定、密度小等優(yōu)良性能，使其越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代家具設(shè)計中，前景非常廣闊，并將逐步取代其他家具結(jié)構(gòu)用材，可為我國家具業(yè)的發(fā)展開辟新的途徑，同時對提升我國竹材家具行業(yè)在國際上的地位具有重要作用。