天然优化竹纤维增强复合材料：界面力学性能和失效机理

导读

竹子是一种典型的天然纤维增强复合材料，具有作为增强体的维管束和作为生物基质的薄壁组织的最佳分布。维管束与薄壁组织之间的界面粘接性能对竹子的力学性能和失效机制至关重要。本研究采用拉拔试验来确定竹维管束与薄壁组织之间的界面剪切强度（IFSS），并评估维管束的临界嵌入长度（Lce），还研究了包埋维管束长度对界面强度和破坏行为的影响。

内容简介

竹子是一种典型的两相复合天然生物质材料，其体积主要由37-55%的纤维和45-63%的薄壁细胞组成。刚性维管竹束纤维呈现梯度分布，并嵌入柔性薄壁细胞的基质中（图1a）。此外，竹纤维护套的纵向拉伸弹性模量和拉伸强度分别约为54.45GPa和851.08MPa，远高于薄壁组织（分别为0.83GPa和13.08MPa）（图1b）。

图1 a. 竹子的复合材料结构 b. 不同尺度下不同竹单元的尺寸和力学性能

在体视显微镜下通过机械剥离将单维管束拉伸试验和单维管束拉出试验的样品从薄壁细胞中分离出来（图2a）。单维管束拉伸试样条约为 60 mm。维管束拉出样品样本尺寸的嵌入基质为 4 mm（R）× 3 mm（T）×（1.0–3.0）mm （L）。单个维管束的嵌入长度等于标本的厚度（L）：分别为 2.0-2.5 mm、1.5-2.0 mm 和 1.0-1.5 mm。拉拔测试设置，拉拔维管束的包埋长度和周长测量示意图等依次如图2b ~ 2i所示。

图2 a. 单维管束拉伸和单维管束拔出试验的标本制备过程 b. 拉拔测试设置 c. 拉拔维管束的包埋长度和周长测量的示意图 d. 拉拔试验中单维束张力（Vb-张力）、维管束断裂（Vb断裂失效）和界面失效（Vb拔出失效）的载荷-位移曲线 e. 拉拔的力学模型：纤维断裂前的临界条件 f. 嵌入长度、峰值负载和 IFSS 之间的关系 g. 临界嵌入长度在荷载嵌入长度曲线中计算 h. 应力分布与纤维嵌入长度（L）之间的关系 i. 天然竹Lce与其他不同植物纤维增强复合材料的比较

界面剪切强度（IFSS）评估可以提高对纤维和基体之间粘合的视觉洞察力。在临界包埋长度（图3a）下，包埋长度对维管束的拉拔载荷和IFSS的影响表明，竹维管束拔出的峰值负荷随着包埋长度的增加而增加（图3b）。图3c ~ 3g则依次给出了天然竹IFSS与人造竹纤维增强复合材料的比较，单维管束拔出试验典型载荷-位移曲线的不同失效阶段以及不同包埋长度的维管束的载荷-位移曲线等示意图。

图3 a. Lce下三个嵌入长度的示意图，用于拉拔式IFSS测试 b. 不同嵌入长度下的峰值负荷和IFSS直方图（***表示0.001的统计显著性，****表示0.0001的统计显著性） c. 天然竹IFSS与人造竹纤维增强复合材料的比较 d. 单维管束拔出试验典型载荷-位移曲线的不同失效阶段 e. 不同包埋长度的维管束的载荷-位移曲线 g. 拉拔过程的上视图、前视图和侧视图的显微 CT 3D 图像：I 拉出测试之前 II 部分拉出脱粘 III 完全拔出 f. 不同阶段的能量吸收和不同嵌入长度的能量吸收

图4详细给出了维管束和实质细胞之间界面诸如a. 拉出的维管束横截面的形态 b. 拉出的维管束的上侧等失效特征。

图4 维管束和实质细胞之间界面的失效特征： a. 拉出的维管束横截面的形态 b. 拉出的维管束的上侧 c. 拉出的维管束的下侧 d. 拔出维管束后竹基质的横截面 e. 基质中拉出迹线的内部断裂特性 f. 纤维的薄层分层 g. 纤维断裂 h. 薄壁细胞断裂 i. 基体中拉出迹线的平滑摩擦面通道 j. 维管束和基质块横截面的示意图和形态 k. 拉拔过程中的内部基质和维管束断裂特征

图5则通过扫描电镜、CT等技术详细揭示了竹维管束诸如 a. 断裂特性 b. 不同嵌入长度界面的失效模式等典型失效模式示意图。

图5 竹维管束的失效模式： a. 断裂特性 b. 不同嵌入长度界面的失效模式 c. e. g. 2.0 mm < L ≤ 2.5 mm、1.5 mm < L ≤ 2.0 mm和1.0 mm < L ≤ 1.5 mm嵌入长度的界面断裂特性 d. f. h. 不同嵌入式长度界面的失效模式细胞壁的拉曼图像通过整合 i. 2800 - 3030 cm-1（整体形态） j. 2800 – 2918 cm-1（碳水化合物） k. 1540 – 1700 cm-1（木质素） l. 木质素与整体形态浓度的比率来计算 m. 界面形态：橙色虚线表示扫描路径 n. 强度曲线描述了沿扫描路径的整体形态、木质素和碳水化合物的浓度变化

小结

本研究评估了竹维管束的临界纤维长度，测试了界面强度，并研究了嵌入长度对断裂特征和界面破坏模式的影响。这些发现为更深入地了解竹子界面提供了帮助，有助于了解竹子优异的力学性能和增韧机理。此外，研究结果还为开发生物材料和结构复合材料提供了数据和灵感。

参考文献

Xiaohan Chen, Xianke Wang, Xun Luo, Lin Chen, Yuquan Li, Jiarui Xu, Zengqian Liu, Chunping Dai, Hu Miao, Huanrong Liu, Bamboo as a naturally-optimized fiber-reinforced composite: Interfacial mechanical properties and failure mechanisms, Composites Part B: Engineering, Volume 279, 2024, 111458, ISSN 1359-8368.

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111458.