原竹多尺度力學(xué)性能及其在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳 靜 方 海 鐘 暢

(廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院廣州510030)

自然界生物體遵循達(dá)爾文的 “物競(jìng)天擇”所形成的結(jié)構(gòu)及其性能，由此給予了人們?cè)谘芯坎牧戏矫娴木薮髥⒌?。陳斌等[1]認(rèn)為，組成生物復(fù)合材料的原始材料 (成分)的力學(xué)性質(zhì)可能并不好，但這些材料通過(guò)優(yōu)良的復(fù)合與構(gòu)造，就會(huì)形成具有很高強(qiáng)度、剛度以及韌性的生物復(fù)合材料。竹子作為一種天然復(fù)合材料完美詮釋了這一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歷史的選擇優(yōu)化，竹子具備了最適宜其生存環(huán)境和最充分發(fā)揮其復(fù)雜功能的從宏觀到微觀的分級(jí)結(jié)構(gòu)，而不同的分級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的力學(xué)特性和增韌機(jī)制。目前，人們對(duì)于天然竹子的認(rèn)識(shí)僅限于一些常規(guī)性質(zhì)，還缺乏基于竹子受載荷后內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化及其作用機(jī)理的更加系統(tǒng)化的研究。本文分析了原竹的分級(jí)結(jié)構(gòu)及其多尺度的力學(xué)性能，通過(guò)典型設(shè)計(jì)案例闡述原竹多尺度力學(xué)性能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用潛力，以期為設(shè)計(jì)師將材料與設(shè)計(jì)更加有效地結(jié)合提供思路。

1 原竹的分級(jí)結(jié)構(gòu)

原竹作為一種天然生物材料，為適應(yīng)外界環(huán)境和自身生理活動(dòng)的需求會(huì)通過(guò) “自下而上”的自組裝形式，形成從宏觀到微觀不同尺度的分級(jí)結(jié)構(gòu)，這種分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)原竹的受力行為表現(xiàn)出驚人的增韌、增強(qiáng)效果[2-3]。圖1顯示了原竹從宏觀尺度到納米尺度的多級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

圖1 原竹分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖——從宏觀尺度到納米尺度

從生物學(xué)角度講，竹子從宏觀到微觀特定的內(nèi)部構(gòu)造和組成關(guān)聯(lián)技巧是用來(lái)強(qiáng)化其對(duì)于生存環(huán)境的適應(yīng)。在米 (m)尺度，竹筒的外部形態(tài)表現(xiàn)為空心圓截面狀和階梯變截面桿狀結(jié)構(gòu)[4]，這種橫向增強(qiáng)的中空筒狀結(jié)構(gòu)，一方面使其能夠更好地承受風(fēng)或雪而引起的彎曲折斷或者劈裂，另一方面能實(shí)現(xiàn)以最少材料獲得最優(yōu)力學(xué)性能的目標(biāo)。曾其蘊(yùn)等[5]研究表明，竹節(jié)的竹壁厚度總是大于其相鄰節(jié)間的竹壁厚度，表現(xiàn)為橫向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。在米 (m)尺度，竹節(jié)是一個(gè)力學(xué)點(diǎn)，起力學(xué)加強(qiáng)鍵作用，能有效提高竹子整體的橫向抗擠壓與抗剪能力。Ray等[6]研究表明，原竹中竹青和竹黃的性能存在較大差異，具體表現(xiàn)為功能梯度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。在厘米(cm)尺度，原竹不僅在維管束的數(shù)量上而且在質(zhì)量上都表現(xiàn)為從竹青到竹黃呈遞減趨勢(shì)，這是為了將材料集中于應(yīng)力大的外部，以保持堅(jiān)韌的外皮層，避免外界環(huán)境對(duì)其表面損傷。在毫米 (mm)尺度，竹筒中的節(jié)間細(xì)胞呈軸向排列，細(xì)胞壁亞層之間通過(guò)層級(jí)復(fù)合形成薄壁多層結(jié)構(gòu)，薄壁組織細(xì)胞壁與細(xì)胞壁之間以一種弱化但非常有效的方式粘合在一起形成弱化的界面，這種界面可以增加竹子的柔軟性，使得竹稈在遭受動(dòng)物撕咬和刀傷后依然保持很高的抗橫斷能力。

竹子的解剖構(gòu)造通常指竹壁的構(gòu)造。竹壁主要由表層系統(tǒng)、基本系統(tǒng)和維管束系統(tǒng)組成。組成維管束的厚壁細(xì)胞竹纖維是決定竹子力學(xué)性能的主要成分，而以基本組織為主的薄壁細(xì)胞主要在維管束之間起著傳遞載荷和緩沖作用[7]。在mm尺度，原竹表現(xiàn)為以竹纖維束為增強(qiáng)體、薄壁組織為基質(zhì)體的兩相復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；在受到外界擠壓力作用時(shí)，薄壁細(xì)胞的細(xì)胞壁會(huì)產(chǎn)生屈曲，并且通過(guò)胞體內(nèi)的水所產(chǎn)生的靜水壓力來(lái)強(qiáng)化其本身的抗壓能力。在微米 (μm)尺度，竹纖維通過(guò)胞間層的各種非纖維素成分粘合與疏導(dǎo)組織一起形成維管束，表現(xiàn)為“海島結(jié)構(gòu)”的兩相復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，纖維素作為分散相在疏導(dǎo)組織中形成了海島結(jié)構(gòu)，兩相相容性較好，并且形成了明顯的界面作用區(qū)，這種界面作用區(qū)對(duì)于竹子拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率有增強(qiáng)作用。李世紅等[8]研究表明，竹子的宏觀結(jié)構(gòu)符合材料力學(xué)中的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原理。竹筒中維管束的體積分?jǐn)?shù)分布與其承受各種力學(xué)性能的變化趨勢(shì)具有一致性，一般表現(xiàn)為維管束數(shù)量多的部位抗壓能力強(qiáng)；而且竹壁的外部力學(xué)性能大于內(nèi)部。在竹筒的橫截面中，木質(zhì)部分的纖維分布不均勻，纖維的密度從內(nèi)向外逐漸增大，呈偏分布狀態(tài)，這也是竹子能承受較強(qiáng)的側(cè)推力作用的原因[9]。在亞微米 (subμm)尺度，細(xì)胞壁亞層之間通過(guò)層級(jí)復(fù)合形成多壁層的竹纖維和薄壁組織細(xì)胞壁，表現(xiàn)為層板納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。林東洋等[10]研究表明，在天然竹子中，竹青的高強(qiáng)度、高韌性是由竹纖維優(yōu)越的結(jié)構(gòu)所決定。在竹纖維中包含了多層厚薄相同的層，在每一個(gè)層級(jí)中微纖絲以不同的角度分布，這些微纖絲的角度與取向?qū)τ诩?xì)胞壁的剛性和韌性具有決定性意義。

無(wú)論是基于生物學(xué)特性還是解剖構(gòu)造，都可以追尋到天然竹子為了適應(yīng)生存環(huán)境而通過(guò)不同界面的精巧分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)獲得更好的增韌機(jī)制。Gordon等[11]認(rèn)為，木材會(huì)采用纖維與纖維之間、早材與晚材之間的分級(jí)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)增韌機(jī)制。對(duì)于復(fù)合材料而言，復(fù)合材料的性能與其組分材料之間所形成的弱化的界面與界面之間的特性有密切關(guān)系。因此在研究竹子這種復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮多個(gè)尺度，建立從宏觀到微觀的各級(jí)結(jié)構(gòu)間的等量關(guān)系，以獲得更加豐富的組分與層級(jí)，來(lái)進(jìn)一步把握其內(nèi)在性能。目前，對(duì)于原竹分級(jí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要集中于竹材的分級(jí)重組，孫正軍[12]利用竹子的分級(jí)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同力學(xué)行為，將竹材分成不同級(jí)別的竹材組坯，以此來(lái)獲得更加穩(wěn)定的產(chǎn)品性能，而利用竹子的分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)還缺乏比較系統(tǒng)化的研究。

2 原竹多尺度力學(xué)特性及增韌機(jī)制

多尺度力學(xué)是指利用多尺度分析法，綜合協(xié)同地考慮復(fù)合材料在宏觀、細(xì)觀、微觀等不同尺度的結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)建立復(fù)合材料各尺度結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，來(lái)揭示復(fù)合材料不同尺度間的內(nèi)在增韌機(jī)制。竹子是一種典型的非均質(zhì)多相復(fù)合材料，同時(shí)具有組分非均質(zhì)性和空間連續(xù)性特點(diǎn)，在不同尺度上具有不同的特性。

2.1 多尺度拉伸力學(xué)特性

目前對(duì)于原竹多尺度拉伸力學(xué)特性的研究，主要集中于自上而下的研究方式，即基于原竹在宏觀尺度下的拉伸力學(xué)特性，然后通過(guò)復(fù)合材料混合定律來(lái)計(jì)算推演出它的微觀物理場(chǎng)。

在宏觀尺度，于文吉等[13]研究表明，天然竹筒在徑向上主要是由竹青、竹肉和竹黃復(fù)合而成的3個(gè)層面結(jié)構(gòu)，在這3個(gè)層面上維管束平行而整齊地沿軸向排列，從外層到內(nèi)層由密到稀疏，并且在層面之間會(huì)通過(guò)少數(shù)軸向的薄壁組織和節(jié)部縱橫交錯(cuò)的維管束來(lái)加固；當(dāng)受拉伸力作用時(shí)，從外到內(nèi)彈性系數(shù)呈遞減趨勢(shì)，表現(xiàn)為在竹青部分的力學(xué)性能大于竹黃部分。天然竹筒從竹青到竹黃的層面分級(jí)是一種層板復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以增加竹子的層間拉伸強(qiáng)度。劉煥榮[14]對(duì)從竹青到竹黃的分層竹片拉伸力學(xué)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果也表現(xiàn)出從竹青到竹黃宏觀拉伸力學(xué)會(huì)隨著纖維含量的降低而降低的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出明顯的梯度力學(xué)性能。

在組織尺度，邵卓平[15]研究表明，竹子的高強(qiáng)、高韌特性與其完美的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并且通過(guò)細(xì)觀力學(xué)方法測(cè)試了天然竹子受彎曲力所產(chǎn)生的基本組織開(kāi)裂、界面分層、竹纖維斷裂、竹纖維抽拔這4種損傷模式所產(chǎn)生的能量吸收機(jī)制，發(fā)現(xiàn)不同的組織結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中會(huì)因?yàn)椴煌哪芰课障亩a(chǎn)生不同的增韌機(jī)制。

在細(xì)胞尺度，竹纖維細(xì)胞壁厚，細(xì)胞腔小，微纖絲角與纖維長(zhǎng)軸幾乎平行排列，這種結(jié)構(gòu)使得竹子在受到拉伸力作用時(shí)，纖維承載能力增強(qiáng)[16]。研究顯示[17-18]，在木、麻、竹等不同的纖維縱向拉伸力測(cè)試中，竹纖維的拉伸強(qiáng)度和模量都最大，這與竹纖維的排列順序密切相關(guān)。Huang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，4～6.5年生的毛竹其單根竹纖維的彈性模量和拉伸強(qiáng)度均大于1.2 Gpa。按照竹纖維在原竹體積中所占的百分比用復(fù)合材料混合定律進(jìn)行計(jì)算，竹纖維的平均拉伸強(qiáng)度應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所測(cè)試出的拉伸強(qiáng)度。因此，在原竹的分級(jí)結(jié)構(gòu)中可能會(huì)存在不同級(jí)別的界面影響竹子的增韌機(jī)制，或者也可以說(shuō)原竹的分級(jí)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的多尺度增韌機(jī)制在一定程度上是以犧牲原竹某些方面的強(qiáng)度因素為代價(jià)。

2.2 多尺度斷裂特性

斷裂是指物體在受外力作用下產(chǎn)生裂紋乃至失效的模式，不同材料會(huì)有不同的斷裂失效模式，材料的斷裂失效與其本身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[20]。天然竹筒中空、壁薄、竹節(jié)離散分布，無(wú)論是裂紋擴(kuò)展還是斷裂時(shí)應(yīng)力變化都比較復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于原竹斷裂韌性的測(cè)試方法還沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)，研究方向主要是從裂紋頂端應(yīng)力場(chǎng)分布、破壞過(guò)程和斷面特征3個(gè)方面展開(kāi)研究。

在宏觀水平，研究表明[21]，竹子纖維含量的梯度分布與竹子的斷裂韌性具有相關(guān)性，具體表現(xiàn)為不同纖維含量的部位其拉伸斷裂方式不同，竹青部位表現(xiàn)為沿界面壁裂開(kāi)，竹肉部分表現(xiàn)為臺(tái)階式破壞，在竹黃部位則斷面齊整。冼杏娟等[22]研究顯示，竹子的竹青、竹肉和竹黃部位的斷裂韌性分別為 9.636 Mpa.m1/2、 6.533 Mpa.m1/2和 4.361 Mpa.m1/2，呈現(xiàn)梯度遞減的變化趨勢(shì)，表明在竹壁中纖維含量越高斷裂韌性越高。

在組織水平，原竹在拉伸狀態(tài)下裂紋的拓展會(huì)出現(xiàn)維管束與薄壁組織之間的分層，在拉伸過(guò)程中裂紋沿界面擴(kuò)展并且伴隨著大量的能量消耗，擴(kuò)展速度會(huì)減緩趨向平穩(wěn)，說(shuō)明維管束對(duì)裂紋擴(kuò)展具有阻礙作用，維管束分布密度越高對(duì)裂紋的阻隔能力越強(qiáng)[23-24]。

在細(xì)胞水平，竹子斷裂過(guò)程會(huì)出現(xiàn)纖維與纖維之間的分層、薄壁組織之間的分層。邵卓平等[15]研究表明，竹子的順紋斷裂和橫紋斷裂差異性較大，對(duì)比竹纖維在縱向的軸向排列，竹纖維的橫向分布不均勻，因此竹子的斷裂失效多為橫向斷裂，且在斷裂過(guò)程中裂縫沿纖維界面方向擴(kuò)展并具有各向異性。

在亞細(xì)胞水平，纖維和薄壁組織細(xì)胞壁內(nèi)壁層之間形成分層，纖維細(xì)胞由多個(gè)不同層次交替構(gòu)成，各層之間又形成不同的微纖絲角度。在斷裂過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展沿壁層與壁層界面展開(kāi)，界面之間又會(huì)形成新的層面來(lái)消耗能量阻擋裂紋擴(kuò)展。

2.3 多尺度增韌機(jī)制

從上述分析可知，原竹的分級(jí)結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)界面與界面之間的層級(jí)關(guān)系、纖維含量的梯度變化、纖維細(xì)胞壁的層級(jí)結(jié)構(gòu)以及微纖絲的排列方式來(lái)獲得不同的增韌機(jī)制。具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1)原竹從宏觀到微觀不同尺度間存在多層級(jí)的弱界面，這些界面在一定程度上會(huì)削弱竹纖維的平均拉伸強(qiáng)度，但是在不同尺度間界面可以通過(guò)形成新的層級(jí)有效阻礙裂紋擴(kuò)展，增加斷裂消耗功從而顯著增強(qiáng)竹子韌性。

2)原竹從竹青到竹黃纖維含量的梯度變化結(jié)構(gòu)，形成了竹筒輕質(zhì)、高韌及優(yōu)越的側(cè)推力性能。

3)在原竹的纖維細(xì)胞中包含多個(gè)厚薄相同的層級(jí)，每個(gè)層級(jí)中的微纖絲以不同升角分布，在不同界面微纖絲角的變化可以加強(qiáng)界面之間結(jié)合以及避免幾何物理的突變。

當(dāng)然這些只是原竹多尺度增韌機(jī)制中的一部分，對(duì)于原竹多尺度力學(xué)所對(duì)應(yīng)的增韌機(jī)制還需要更加深入的研究。研究竹材的增韌機(jī)制有助于認(rèn)識(shí)材料組成構(gòu)造與強(qiáng)韌功能之間的關(guān)系，也有助于人們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)選材和人工材料設(shè)計(jì)時(shí)獲得新的啟發(fā)點(diǎn)。

3 原竹多尺度力學(xué)特性在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)

近年來(lái)，隨著綠色設(shè)計(jì)理念的普及，天然竹材作為一種性能優(yōu)異、綠色、環(huán)保的可持續(xù)材料越來(lái)越受到眾多設(shè)計(jì)師的青睞。在一些經(jīng)典的竹產(chǎn)品設(shè)計(jì)中均體現(xiàn)了原竹的多尺度力學(xué)特性。

圖2為臺(tái)灣的一家設(shè)計(jì)公司 “Yii品牌”設(shè)計(jì)的一張竹椅 《WAVE》。作品將總長(zhǎng)超過(guò)4 m的整竹進(jìn)行多次烤彎，形成連續(xù)多變的曲線(xiàn)，從而構(gòu)成椅子整體造型與結(jié)構(gòu)。作品的多次彎曲造型正是基于原竹多尺度力學(xué)特性，因?yàn)樵谥癫闹芯S管束平行而整齊地沿長(zhǎng)軸方向排列生長(zhǎng)，通過(guò)竹節(jié)時(shí)形成分界點(diǎn)，呈縱橫交錯(cuò)的走向，這使得原竹在力學(xué)性能上的各向異性；加之原竹的分級(jí)結(jié)構(gòu)，層級(jí)與層級(jí)間生物結(jié)構(gòu)和含水率各不相同，受熱和蒸發(fā)水的速度各不相同，當(dāng)竹子的一側(cè)被火烤加熱時(shí)，作為承力基本單元的竹纖維細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)的水溫升高，細(xì)胞壁變軟，該側(cè)的植物纖維被高溫軟化，外層竹纖維受拉力，內(nèi)層竹片受壓力，這樣就實(shí)現(xiàn)了彎曲。維管束是竹纖維通過(guò)胞間層的各種非纖維素成分粘合形成，竹纖維中包含了很多厚薄相同的層，在每個(gè)層級(jí)中微纖絲以不同的角度與取向分布，保證了原竹彎曲后的高強(qiáng)度與高韌性。彎曲的過(guò)程伴隨著竹纖維細(xì)胞壁內(nèi)靜水壓力的屈曲，所以在進(jìn)行火烤彎曲時(shí)需要有意識(shí)地先進(jìn)行浸水處理。

圖2 臺(tái)灣 “Yii品牌”公司設(shè)計(jì)的竹椅作品 《WAVE》

圖3是日本竹家具設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)TEORI設(shè)計(jì)的竹衣架。竹衣架以最簡(jiǎn)單的幾何構(gòu)造，將原竹強(qiáng)大的抗拉能力與抗壓能力與衣架的基本造型功能相結(jié)合，原竹長(zhǎng)細(xì)比大，撓度也大，且截面是環(huán)形的，像梁一樣外彎面受拉，內(nèi)彎面受壓，表現(xiàn)為超強(qiáng)的抗彎能力。加上竹節(jié)處的內(nèi)部橫隔板，既可以增加承載面積又可以提高橫向承載能力。

圖3 日本TEORI設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的竹衣架

圖4是臺(tái)灣Grass Studio設(shè)計(jì)工作室設(shè)計(jì)的竹凳。作品設(shè)計(jì)利用了原竹強(qiáng)大的側(cè)推力，在天然竹材中竹纖維分布呈功能梯度分布，表現(xiàn)為從內(nèi)到外纖維密度逐漸增大的偏分布狀態(tài)。竹凳選取原竹中纖維分布密集的竹青部分，利用側(cè)推應(yīng)力形成坐面著力點(diǎn)。通過(guò)幾條流暢穿插的線(xiàn)條，展現(xiàn)了原竹纖維與力學(xué)之美。

圖4 臺(tái)灣Grass Studio設(shè)計(jì)工作室設(shè)計(jì)的竹凳

以上3個(gè)典型作品案例都有意或無(wú)意地將原竹的多尺度性能與產(chǎn)品的造型與功能相結(jié)合，體現(xiàn)了對(duì)材料性能的了解。給予人們的啟示：一方面應(yīng)合理發(fā)揮材料的最大性能來(lái)進(jìn)行工藝制作，以規(guī)避材料的缺陷，到達(dá)最適宜的設(shè)計(jì)；另一方面在思考材料與設(shè)計(jì)的適應(yīng)性時(shí)，設(shè)計(jì)的發(fā)展也會(huì)促進(jìn)材料的創(chuàng)新與變化。

4 小結(jié)

對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，每一種材料都有其特定的優(yōu)異性，如果能夠結(jié)合材料的特性，設(shè)計(jì)將會(huì)變得更有價(jià)值。從3個(gè)成功的設(shè)計(jì)案例可以看出，原竹的多尺度力學(xué)性能在設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用潛力。同時(shí)，啟迪設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要針對(duì)產(chǎn)品內(nèi)、外部因素，做到在設(shè)計(jì)選材、用材以及設(shè)計(jì)工藝上與材料特性相結(jié)合，使材料特性轉(zhuǎn)為產(chǎn)品的應(yīng)用功能。