竹材的天然结构为设计轻质高强的圆筒形复合材料带来启发

竹材的天然结构为设计轻质高强的圆筒形复合材料带来启发

竹子的应用领域不断被拓展，从常见的竹地板到福特公司的汽车零部件。竹子质轻而坚韧，是一种天然的、功能性材料。最近，来自日本北海道大学、熊本县立大学和山梨大学的研究人员通过研究竹材的纤维分布特性获得了设计轻质高强的圆筒形复合材料的思路。

竹子是一种最典型天然的功能梯度材料(FGMs)。从结构上看，竹子是一种纤维增强复合材料，由2种主要的组织组成：作为增强作用的纤维(维管束)和作为基体的薄壁细胞。这些纤维有很强的刚性，可以与钢筋媲美。为了识别竹材茎秆中增强纤维的分布特性与竹秆抗弯刚度之间的关系，研究人员研究了竹材横截面中的纤维分布。

研究发现，竹材横截面木质部分中的纤维分布是不均匀的。纤维密度从内到外逐渐变大，呈偏分布状态(图1)，这表明竹材外部的机械性能比内部强。这也是竹子能够抵御强烈侧风的原因。将真实的竹材纤维分布的数据与理论上推导出的最佳纤维分布数据进行比较发现，两者相差无几。在发现有大量纤维的竹秆基部的地方，实际的纤维分布符合理论推导出的二次型梯度分布；在相对于秆基部具有较少纤维的竹秆梢部，实际数据符合理论上计算的线性分布。

图1 竹材横切面上纤维密度由内向外逐渐变大

研究人员发现，竹子能够自然优化纤维的分布以使其以最小的体积具有最大化的抗弯刚度。由此得到启发，可以通过模仿竹材的纤维梯度分布，开发出轻质高强的圆筒形复合材料。近年来，模拟动物和植物生存条件的仿生学解决了新型材料开发中的许多问题，竹材轻质高强特性在新材料开发中的应用是植物仿生学应用的又一例证。该研究成果发表在2017年5月份的《PLOS ONE》杂志上。

(李玉敏 编译)