斷層面積纖維比例對毛竹材拉伸剪切性能的影響1)

黃愛月 蘇勤 宗鈺容 劉煥榮

(國家林業(yè)和草原局-北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實驗室(國際竹藤中心)，北京，100102)

竹材是以纖維為增強(qiáng)相、薄壁組織為基質(zhì)的兩相復(fù)合材料[1]，纖維-薄壁組織復(fù)合界面性能是影響竹材宏觀力學(xué)性能和斷裂破壞模式的關(guān)鍵因素。剪切強(qiáng)度是表征復(fù)合材料界面強(qiáng)度的重要指標(biāo)，有研究表明，毛竹順紋剪切強(qiáng)度平均為14.5 MPa，遠(yuǎn)小于拉伸強(qiáng)度(134.1 MPa)、抗彎強(qiáng)度(134.4 MPa)[2]，對竹材后續(xù)加工利用有重要影響。竹材也是一種梯度復(fù)合材料，纖維組織比量沿竹壁徑向從外到內(nèi)梯度遞減，纖維組織比量對竹材的物理力學(xué)性能有決定性作用。纖維組織比量達(dá)100%時竹材的理論拉伸強(qiáng)度可達(dá)461 MPa，而纖維組織比量為0時竹材理論拉伸強(qiáng)度僅為32 MPa[3]。竹材的順紋壓縮模量、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度，均與維管束分布密度呈正相關(guān)[4-15]。宋光喃[16]對不同密度等級規(guī)格竹條的拉伸剪切強(qiáng)度研究表明，竹材拉伸剪切強(qiáng)度隨竹材密度增大而增大。但是目前關(guān)于纖維對竹材順紋剪切強(qiáng)度影響的研究較少。

為此，本研究以4年生胸徑10～13 cm的毛竹(Phyllostachysedulis)為試材，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從竹壁外部、中部、內(nèi)部分別制取厚度為7 mm的竹條，制備不同拉伸剪切試樣，采用萬能力學(xué)試驗機(jī)進(jìn)行拉伸剪切試驗；以總纖維束面積與剪切面面積之比，計算不同剪切破壞面的斷層面積纖維比例；以斷層面積纖維比例、剪切強(qiáng)度為評價指標(biāo)，分析斷層面積纖維比例對拉伸剪切力學(xué)行為和破壞方式的影響。旨在為毛竹材的合理加工方式和科學(xué)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

試驗用的毛竹(Phyllostachysedulis)，4年生，10株，胸徑為10～13 cm，采集于安徽省霍山縣；試樣均取自毛竹1.5～2.0 m之間(第11～15個竹節(jié))的節(jié)間部分，竹材的基本密度為0.65～0.68 g/cm3；采伐時間為冬季，氣干后備用。

從竹筒上劈制長度81 mm、寬度10 mm的竹條；再以10 mm厚度為依據(jù)，將竹條內(nèi)、外兩表面進(jìn)行刨平；之后從竹壁外部、中部、內(nèi)部分別制取厚度為7 mm的竹條，制備拉伸剪切試樣，試樣形狀與尺寸參照文獻(xiàn)[17]、[18]。不同拉伸剪切試樣取樣部位、試樣尺寸以及不同拉伸剪切面在竹壁橫切面上的位置如圖1所示，每個試驗重復(fù)10個試樣。

圖1 拉伸剪切試樣示意圖

參照文獻(xiàn)[17]，利用萬能力學(xué)試驗機(jī)(INSTRON-5582)進(jìn)行拉伸剪切試驗(見圖2)。先預(yù)加載至20 N，再以2 mm/min的速度勻速加載，直至試樣被破壞。

1為夾具；2為毛竹徑向；3為載荷加載方向。

纖維面積比例(纖維含量)測試方法(見圖3)：利用體式顯微鏡(Lumenera Infinity1)對不同剪切破壞面進(jìn)行觀察并拍照；再通過CAD軟件勾畫出各個纖維束與剪切面的面積，計算出總纖維束面積與剪切面面積之比，得到不同剪切破壞面的斷層面積纖維比例。

a為剪切破壞面灰度圖；b為剪切破壞面局部放大圖；c為CAD軟件勾勒纖維束示意圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 斷層面積纖維比例對毛竹材弦向面拉伸剪切強(qiáng)度的影響

由表1可見：不同部位毛竹材斷層面積纖維比例和剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)一定的差異。沿竹壁徑向，竹青、竹肉、竹黃三部位竹材剪切面的斷層面積纖維比例梯度遞減；而剪切強(qiáng)度卻是斷層面積纖維比例為37.35%竹肉剪切面2的最佳。斷層面積纖維比例高達(dá)43.91%的竹青剪切面，其剪切強(qiáng)度僅為竹肉的0.97倍；這不同于竹材的拉伸、彎曲、壓縮等性能(都與纖維組織比量呈正相關(guān)關(guān)系)，但與竹材的兩相復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)相關(guān)。

竹材維管束的拉伸強(qiáng)度和模量高達(dá)687.02 MPa、45.57 GPa，是薄壁細(xì)胞拉伸強(qiáng)度和模量(40.02 MPa、1.7 GPa)的十多倍[19-20]，因此斷層面積纖維比例對竹材的力學(xué)性能有重要影響。而竹材的順紋剪切強(qiáng)度，則是竹材軸向抵抗大小相等、方向相對(相反)作用力的能力，因此纖維、薄壁組織及纖維和薄壁組織界面則是決定性因素。沿竹壁徑向，隨著斷層面積纖維比例的梯度變化，不同部位竹材的纖維和薄壁組織界面形式和數(shù)量也不相同。竹青部位的剪切面斷層面積纖維比例高達(dá)43.91%，薄壁組織相對較少，纖維和纖維之間復(fù)合結(jié)構(gòu)界面的結(jié)合強(qiáng)度決定了竹材的剪切性能；而斷層面積纖維比例為34.92%的竹黃剪切面3，薄壁組織較多，薄壁組織的剪切破壞強(qiáng)度和薄壁組織界面性能決定了該剪切面的剪切強(qiáng)度；與剪切面1和3相比，斷層面積纖維比例介于兩者之間的竹肉剪切面2，纖維和薄壁組織含量適中，纖維和薄壁組織復(fù)合結(jié)構(gòu)界面決定其剪切強(qiáng)度。因此，適當(dāng)比例的纖維和薄壁組織組成的復(fù)合體，增強(qiáng)體與基質(zhì)在性能上互補(bǔ)，有利于竹材的縱向剪切強(qiáng)度；同時竹材梯度變異結(jié)構(gòu)與其相應(yīng)位置的功能強(qiáng)度相匹配。

表1 不同部位毛竹材弦向面拉伸剪切強(qiáng)度

2.2 斷層面積纖維比例對毛竹材剪切面拉伸剪切力學(xué)行為的影響

由圖4可見：3個曲線的趨勢相同，都由初始的彈性變形段、隨后的塑性變形、破壞段3部分組成，這與竹材的拉伸力學(xué)行為相似。在彈性階段，竹肉曲線斜率和相同位移時的載荷略高于竹青和竹黃，而竹青的彈性段持續(xù)略長，竹黃的彈性段最?。辉趶椥远?，試樣還處于整體拉伸狀態(tài)，在上下兩個相反方向拉伸力的作用下，界面強(qiáng)度的大小決定了曲線斜率。

在彈性比例極限后剪切破壞前，試樣發(fā)生塑性變形，主要承受試樣整體的拉伸應(yīng)力和剪切面的剪應(yīng)力，相同位移時拉伸載荷和斷層面積纖維比例呈正相關(guān)。斷層面積纖維比例高的竹青載荷最大，因此載荷-位移曲線在達(dá)到最大破壞載荷前，高于竹肉和竹黃的載荷-位移曲線。然而，具有一定斷層面積纖維比例的竹肉載荷-位移曲線所能達(dá)到的最大破壞載荷與位移，均高于竹青和竹黃。安曉靜[20]分析竹纖維與其他組織之間的界面關(guān)系表明，竹纖維之間的界面較弱，顯著降低了竹纖維鞘的拉伸強(qiáng)度，而纖維鞘與薄壁組織之間的界面很特殊，有利于提高竹子的拉伸強(qiáng)度。因此，一定比例的纖維和薄壁組織復(fù)合界面，可在較大拉伸位移(1.34 mm)時達(dá)到破壞載荷(1 533 N)。

圖4 不同部位毛竹材剪切面的拉伸剪切載荷-位移曲線

2.3 斷層面積纖維比例對毛竹材拉伸剪切破壞模式的影響

由圖5可見：斷層面積纖維比例不同，竹材的剪切界面破壞模式不盡相同。斷層面積纖維比例高的竹青界面的竹材破壞模式，主要表現(xiàn)為纖維界面破壞和纖維的脆斷，斷口較整齊(見圖5(a))；斷層面積纖維比例適中的竹肉界面的竹材破壞模式，主要以界面破壞和分層為主(見圖5(b))；竹黃薄壁組織含量高，主要表現(xiàn)為界面破壞和竹材的整塊剪壞(見圖5(c))。試驗結(jié)果表明，斷層面積纖維比例適中的竹肉剪切性能良好，且在較大拉伸位移時才發(fā)生破壞，這與界面的破壞過程和破壞模式直接相關(guān)。

圖5 不同部位毛竹材剪切破壞表面特征

從剪切面的整體破壞形貌(見圖5)和局部破壞模式(見圖6)分析，竹材兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)的主要拉伸剪切破壞模式表現(xiàn)為：界面破壞、纖維的拉伸斷裂(見圖6(b))、分層破壞(見圖6(a))、基體碎裂(見圖6(c))，并且具有厚度效應(yīng)，有明顯的拉伸破壞現(xiàn)象。且在剪切面的不同區(qū)域表現(xiàn)的剪切破壞模式不同，如在圖5區(qū)域Ⅰ，剪切邊緣應(yīng)力較集中，在切口附近主要表現(xiàn)為纖維的拉伸變形，并伴有薄層纖維的拉伸斷裂和撕裂現(xiàn)象；在區(qū)域Ⅱ破壞面較平整，主要發(fā)生界面的破壞、基體的剪切破壞和碎裂。竹材復(fù)合結(jié)構(gòu)界面，不僅決定材料的順紋剪切性能，對其破壞模式也有重要影響。

圖6 毛竹材破壞模式及模型

3 結(jié)論

斷層面積纖維比例對竹材弦向面拉伸剪切強(qiáng)度有重要影響，但不呈正相關(guān)關(guān)系。斷層面積纖維比例為37.35%的竹肉剪切強(qiáng)度達(dá)到7.18 MPa，大于斷層面積纖維比例分別為43.91%、34.92%的竹青和竹黃。

不同斷層面積纖維比例剪切面的拉伸力學(xué)行為曲線趨勢相似，但是竹肉在初始段的斜率較高，且破壞載荷和破壞時位移都較大，這與竹材的纖維和薄壁組織組成的兩相復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成的強(qiáng)弱相界面特性相關(guān)。

竹材兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)的主要拉伸剪切破壞模式表現(xiàn)為：界面破壞、纖維的拉伸斷裂、分層破壞、基體碎裂，且具有厚度效應(yīng)；斷層面積纖維比例高的竹青界面的破壞，主要表現(xiàn)為纖維界面破壞和纖維的脆斷；竹肉界面的破壞，主要以界面破壞和分層為主；竹黃界面的破壞，主要表現(xiàn)為界面破壞和竹材的整塊剪壞。