断层面积纤维比例对毛竹材拉伸剪切性能的影响1)

黄爱月 苏勤 宗钰容 刘焕荣

(国家林业和草原局-北京市共建竹藤科学与技术重点实验室(国际竹藤中心)，北京，100102)

竹材是以纤维为增强相、薄壁组织为基质的两相复合材料[1]，纤维-薄壁组织复合界面性能是影响竹材宏观力学性能和断裂破坏模式的关键因素。剪切强度是表征复合材料界面强度的重要指标，有研究表明，毛竹顺纹剪切强度平均为14.5 MPa，远小于拉伸强度(134.1 MPa)、抗弯强度(134.4 MPa)[2]，对竹材后续加工利用有重要影响。竹材也是一种梯度复合材料，纤维组织比量沿竹壁径向从外到内梯度递减，纤维组织比量对竹材的物理力学性能有决定性作用。纤维组织比量达100%时竹材的理论拉伸强度可达461 MPa，而纤维组织比量为0时竹材理论拉伸强度仅为32 MPa[3]。竹材的顺纹压缩模量、抗压强度、抗弯强度、拉伸强度，均与维管束分布密度呈正相关[4-15]。宋光喃[16]对不同密度等级规格竹条的拉伸剪切强度研究表明，竹材拉伸剪切强度随竹材密度增大而增大。但是目前关于纤维对竹材顺纹剪切强度影响的研究较少。

为此，本研究以4年生胸径10～13 cm的毛竹(Phyllostachysedulis)为试材，参照相关标准，从竹壁外部、中部、内部分别制取厚度为7 mm的竹条，制备不同拉伸剪切试样，采用万能力学试验机进行拉伸剪切试验；以总纤维束面积与剪切面面积之比，计算不同剪切破坏面的断层面积纤维比例；以断层面积纤维比例、剪切强度为评价指标，分析断层面积纤维比例对拉伸剪切力学行为和破坏方式的影响。旨在为毛竹材的合理加工方式和科学应用提供参考。

1 材料与方法

试验用的毛竹(Phyllostachysedulis)，4年生，10株，胸径为10～13 cm，采集于安徽省霍山县；试样均取自毛竹1.5～2.0 m之间(第11～15个竹节)的节间部分，竹材的基本密度为0.65～0.68 g/cm3；采伐时间为冬季，气干后备用。

从竹筒上劈制长度81 mm、宽度10 mm的竹条；再以10 mm厚度为依据，将竹条内、外两表面进行刨平；之后从竹壁外部、中部、内部分别制取厚度为7 mm的竹条，制备拉伸剪切试样，试样形状与尺寸参照文献[17]、[18]。不同拉伸剪切试样取样部位、试样尺寸以及不同拉伸剪切面在竹壁横切面上的位置如图1所示，每个试验重复10个试样。

图1 拉伸剪切试样示意图

参照文献[17]，利用万能力学试验机(INSTRON-5582)进行拉伸剪切试验(见图2)。先预加载至20 N，再以2 mm/min的速度匀速加载，直至试样被破坏。

1为夹具；2为毛竹径向；3为载荷加载方向。

纤维面积比例(纤维含量)测试方法(见图3)：利用体式显微镜(Lumenera Infinity1)对不同剪切破坏面进行观察并拍照；再通过CAD软件勾画出各个纤维束与剪切面的面积，计算出总纤维束面积与剪切面面积之比，得到不同剪切破坏面的断层面积纤维比例。

a为剪切破坏面灰度图；b为剪切破坏面局部放大图；c为CAD软件勾勒纤维束示意图。

2 结果与分析

2.1 断层面积纤维比例对毛竹材弦向面拉伸剪切强度的影响

由表1可见：不同部位毛竹材断层面积纤维比例和剪切强度均呈现一定的差异。沿竹壁径向，竹青、竹肉、竹黄三部位竹材剪切面的断层面积纤维比例梯度递减；而剪切强度却是断层面积纤维比例为37.35%竹肉剪切面2的最佳。断层面积纤维比例高达43.91%的竹青剪切面，其剪切强度仅为竹肉的0.97倍；这不同于竹材的拉伸、弯曲、压缩等性能(都与纤维组织比量呈正相关关系)，但与竹材的两相复合梯度结构相关。

竹材维管束的拉伸强度和模量高达687.02 MPa、45.57 GPa，是薄壁细胞拉伸强度和模量(40.02 MPa、1.7 GPa)的十多倍[19-20]，因此断层面积纤维比例对竹材的力学性能有重要影响。而竹材的顺纹剪切强度，则是竹材轴向抵抗大小相等、方向相对(相反)作用力的能力，因此纤维、薄壁组织及纤维和薄壁组织界面则是决定性因素。沿竹壁径向，随着断层面积纤维比例的梯度变化，不同部位竹材的纤维和薄壁组织界面形式和数量也不相同。竹青部位的剪切面断层面积纤维比例高达43.91%，薄壁组织相对较少，纤维和纤维之间复合结构界面的结合强度决定了竹材的剪切性能；而断层面积纤维比例为34.92%的竹黄剪切面3，薄壁组织较多，薄壁组织的剪切破坏强度和薄壁组织界面性能决定了该剪切面的剪切强度；与剪切面1和3相比，断层面积纤维比例介于两者之间的竹肉剪切面2，纤维和薄壁组织含量适中，纤维和薄壁组织复合结构界面决定其剪切强度。因此，适当比例的纤维和薄壁组织组成的复合体，增强体与基质在性能上互补，有利于竹材的纵向剪切强度；同时竹材梯度变异结构与其相应位置的功能强度相匹配。

表1 不同部位毛竹材弦向面拉伸剪切强度

2.2 断层面积纤维比例对毛竹材剪切面拉伸剪切力学行为的影响

由图4可见：3个曲线的趋势相同，都由初始的弹性变形段、随后的塑性变形、破坏段3部分组成，这与竹材的拉伸力学行为相似。在弹性阶段，竹肉曲线斜率和相同位移时的载荷略高于竹青和竹黄，而竹青的弹性段持续略长，竹黄的弹性段最小；在弹性段，试样还处于整体拉伸状态，在上下两个相反方向拉伸力的作用下，界面强度的大小决定了曲线斜率。

在弹性比例极限后剪切破坏前，试样发生塑性变形，主要承受试样整体的拉伸应力和剪切面的剪应力，相同位移时拉伸载荷和断层面积纤维比例呈正相关。断层面积纤维比例高的竹青载荷最大，因此载荷-位移曲线在达到最大破坏载荷前，高于竹肉和竹黄的载荷-位移曲线。然而，具有一定断层面积纤维比例的竹肉载荷-位移曲线所能达到的最大破坏载荷与位移，均高于竹青和竹黄。安晓静[20]分析竹纤维与其他组织之间的界面关系表明，竹纤维之间的界面较弱，显著降低了竹纤维鞘的拉伸强度，而纤维鞘与薄壁组织之间的界面很特殊，有利于提高竹子的拉伸强度。因此，一定比例的纤维和薄壁组织复合界面，可在较大拉伸位移(1.34 mm)时达到破坏载荷(1 533 N)。

图4 不同部位毛竹材剪切面的拉伸剪切载荷-位移曲线

2.3 断层面积纤维比例对毛竹材拉伸剪切破坏模式的影响

由图5可见：断层面积纤维比例不同，竹材的剪切界面破坏模式不尽相同。断层面积纤维比例高的竹青界面的竹材破坏模式，主要表现为纤维界面破坏和纤维的脆断，断口较整齐(见图5(a))；断层面积纤维比例适中的竹肉界面的竹材破坏模式，主要以界面破坏和分层为主(见图5(b))；竹黄薄壁组织含量高，主要表现为界面破坏和竹材的整块剪坏(见图5(c))。试验结果表明，断层面积纤维比例适中的竹肉剪切性能良好，且在较大拉伸位移时才发生破坏，这与界面的破坏过程和破坏模式直接相关。

图5 不同部位毛竹材剪切破坏表面特征

从剪切面的整体破坏形貌(见图5)和局部破坏模式(见图6)分析，竹材两相复合结构的主要拉伸剪切破坏模式表现为：界面破坏、纤维的拉伸断裂(见图6(b))、分层破坏(见图6(a))、基体碎裂(见图6(c))，并且具有厚度效应，有明显的拉伸破坏现象。且在剪切面的不同区域表现的剪切破坏模式不同，如在图5区域Ⅰ，剪切边缘应力较集中，在切口附近主要表现为纤维的拉伸变形，并伴有薄层纤维的拉伸断裂和撕裂现象；在区域Ⅱ破坏面较平整，主要发生界面的破坏、基体的剪切破坏和碎裂。竹材复合结构界面，不仅决定材料的顺纹剪切性能，对其破坏模式也有重要影响。

图6 毛竹材破坏模式及模型

3 结论

断层面积纤维比例对竹材弦向面拉伸剪切强度有重要影响，但不呈正相关关系。断层面积纤维比例为37.35%的竹肉剪切强度达到7.18 MPa，大于断层面积纤维比例分别为43.91%、34.92%的竹青和竹黄。

不同断层面积纤维比例剪切面的拉伸力学行为曲线趋势相似，但是竹肉在初始段的斜率较高，且破坏载荷和破坏时位移都较大，这与竹材的纤维和薄壁组织组成的两相复合材料结构及其构成的强弱相界面特性相关。

竹材两相复合结构的主要拉伸剪切破坏模式表现为：界面破坏、纤维的拉伸断裂、分层破坏、基体碎裂，且具有厚度效应；断层面积纤维比例高的竹青界面的破坏，主要表现为纤维界面破坏和纤维的脆断；竹肉界面的破坏，主要以界面破坏和分层为主；竹黄界面的破坏，主要表现为界面破坏和竹材的整块剪坏。