毛竹力学性能在竹家具中的应用研究

汪 宏 吕悦孝 孙枭雄 多化琼 马 坤 张成涛

(1内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院呼和浩特市010018；2内蒙古民族大学计算机科学与技术学院内蒙古通辽028000)

竹材力学性能是竹材加工利用的重要依据之一。根据竹材的力学性能可以确定竹材的应用领域和范围，对竹材的培育、合理确定砍伐时间具有现实意义[1]。随着竹材加工技术的发展，竹材在家具行业中的利用越来越广泛，以竹代木成为解决目前木材资源匮乏的最佳途径[2]。现代家具种类多样，数量繁多，造型丰富，竹家具设计需要遵循竹材的特性，高效利用竹材的各项力学性能，开发与之对应的新型家具产品，才能在市场竞争中获得优势，为竹材家具开拓新市场，最大化实现竹材利用价值。我国拥有丰富的毛竹资源，其竹林面积、竹材产量和质量都居世界第一，为我国竹家具行业的发展提供了有利条件。毛竹材作为家具材料，有其特有的特点:良好的比强度和比刚度；很好的弹性、顺纹弯曲性以及抗压、抗拉强度；材质硬度高，韧性强。此外，竹材是一种可再生、低碳、环保材料，竹材应用于家具行业符合时代要求[3]。本文论述了毛竹的力学性能，分析了毛竹在家具行业中的应用优势，对竹家具行业发展具有重要意义。

1 竹材家具应用研究现状

近年来，随着新型技术的出现，竹材应用越来越广泛，涉及建筑、桥梁、食品、家具等多个领域，特别是在竹家具行业有着良好的市场发展空间。刘玉寒[4]认为，竹材应用于家具既符合生态设计要求也符合人性化设计要求，因此符合我国家具业的发展趋势。陆广谱[5]从竹家具设计中的自然生态、文化传承与创新及系统化设计3个方面阐述了竹木家具的设计思想。陈祖建[6]认为，竹木家具在宏观造型上具有绿色环保、兼具框式家具和板式家具优势、造型丰富且朴素自然、高科技内核手工艺外观等特点。这些研究为竹材作为家具材料提供了新思路。竹子作为一种天然、绿色、环保节能材料，具有轻质高强、抗震性能优良、产量高、生长周期短等优点[7－10]，在家具设计中得到越来越多的应用。但目前市场上的竹家具制品仍以传统样式为主，加工简单，缺乏品牌意识，难以满足现代生活需要[11]。

力学性能是竹材基本的材性指标，也是衡量竹材质量的重要指标，深入了解竹材的力学性能，对推广竹材在家具中的应用十分重要。目前，针对竹材不同种类、种源、竹龄、部位的力学性能进行了系列研究。张丹[12]认为毛竹圆竹与竹片的抗压强度、抗剪强度相差不大，但抗弯强度差异较大；马媛媛[13]测定了安吉毛竹的弹性模量、泊松比、抗拉强度；李旭[14]研究发现，有竹节竹材的顺纹抗拉强度低于无竹节竹材；李霞镇[15－16]对毛竹材顺纹抗拉和抗压的动态破坏形式进行了研究，细致描述了破坏时竹材的微观变化。

在家具材料多样化的今天，家具设计师应从全新的角度认识竹材的力学性能，并加以应用，才能体现竹材独特的价值。

2 毛竹力学性能在家具中的应用

2.1 比强度和比刚度

通常结构件的质量与所用材料的比强度或比刚度呈反比，因此比强度和比刚度就成为材料选择的主要参数[17]。优质的家具结构材料应具有较高的比强度，毛竹纤维为纵向整齐排列，其结构特性使其能以较小的截面满足强度要求，同时大幅度减小结构体的自身质量；同样，在相同强度下，比刚度越高，材料越轻。毛竹的比强度和比刚度高于木材，也高于普通钢铁。基于这一力学性能，毛竹已被用作仿生家具材料。李景鹏[18]对竹材表面功能性氧化锌 (ZnO)纳米结构仿生构建工艺进行了研究，结果发现利用低温水热法可在竹材表面制备6种形态的纤锌矿纳米ZnO，体现了毛竹的高比强度和比刚度，可以作为现代竹家具的仿生结构用材。

2.2 弹性

材料的弹性对家具设计极为重要。材料弹性好，对家具能起到一定的保护作用，减小其他物件碰撞带来的伤害。毛竹作为家具材料，具有良好的弹性，这是由其自身的组织结构决定的:毛竹纤维组织细密、纤维层厚、纤维密度大[19]。

2.2.1 在传统竹家具中的应用

毛竹材的弹性在传统竹家具中的应用主要体现在板面接触部分。传统的竹床、竹椅设计都应用了毛竹弹性性能 (图1)。图1(左)为传统竹床，其排骨架应用了毛竹的弹性:一方面，与木质结构相比，当身体与其接触时能产生有效的弹性形变，弹性形变不仅能对床起到保护作用，而且还能缓冲肢体压力，增加舒适感；另一方面，当人体离开竹床时，又能迅速恢复到原来的状态，大大延长了床的使用寿命。图1(右)为传统竹椅，其座板和背板都应用了竹材弹性，能够减轻身体与椅子接触时的压力，从而避免压力过大损坏结构，同时也对人体起到保护作用。

图1 竹材弹性在传统竹家具中的应用(左:竹床；右:竹椅)

2.2.2 在现代竹家具中的应用

竹材弹性在现代竹家具中的应用主要体现在人体的接触感以及使用性能方面，使竹家具从整体形态上脱离传统竹家具的粗糙感，融入现代元素，从而唤起使用者对竹材的好感，同时在加工工艺和造型方面也进行了创新 (图2)。从图2中可以看出，现代竹家具的设计呈现出新造型，在外观结构上优于传统竹家具，而且主体结构使用了竹集成材。现代竹椅整体造型更加优美，加工精细，背板和座板具有一定的弹性，给人以舒适感，同时也摆脱了木质椅子的生硬之感。

图2 竹材弹性在现代竹椅中的应用

2.3 顺纹弯曲性

木材弯曲制品因优美流畅的曲线造型而备受人们的喜爱，然而木材弯曲制品的成品率较低[20]。与木材相比，竹材组织结构简单，维管束和竹秆平行排列，因此抗劈性高，几乎是针叶材的2倍[21]，具有良好的顺纹弯曲性，适合于弯曲加工。对毛竹材进行加工造型时，只要施加一定的外力，竹材便能稳定地发生弯曲变形，外力撤销后，竹材又能很快恢复到原来的形状。毛竹材的这一特性可用于设计带有弯曲构件的家具。传统家具造型时主要运用热弯曲工艺，制造一些简单的竹编和竹雕刻家具用品。另外，传统竹家具在构件连接处经常采用弯曲造型，复杂多变的竹编工艺也是利用竹材这一力学特性实现的。现代竹家具可以结合竹材的弯曲特性进行造型和功能设计，使竹家具表现出多变婉柔的造型形态，比木家具有更好的造型优势[22]。例如，台湾设计师范承宗与手工艺术家陈高明共同完成的作品《FLOW竹椅》(图3)就是利用了毛竹的顺纹弯曲性设计而成。该竹椅将单根竹条弯曲编制组成整体结构，融入了毛竹的自然属性，更加凸显了造型优势，为毛竹在家具中的应用带来全新启示。

图3 《FLOW竹椅》设计应用了毛竹材的顺纹弯曲性

2.4 顺纹抗压、抗拉强度

与同等大小的木材构件相比，毛竹材作为结构用材更容易满足强度要求[23]，常用于制作家具的腿、柱等支撑构件和连接构件。毛竹材的顺纹抗压、抗拉强度的应用如图4所示。图4(左)中的竹椅座板与靠板的倾斜度较大，需要连接件具有较高的抗拉强度，以发挥承载作用并在一定程度上减轻家具的自身质量。图4(右)中的休闲竹椅造型优美，座面与靠背都采用倾斜设计，但是倾斜度较小，这种竹椅需承受人体的大部分重量，这就要求连接件具有很好的抗压强度，整个竹椅用料纤细，整体轻盈，将竹材良好的顺纹抗压强度完美的展现出来。

图4 毛竹材顺纹抗压、抗拉强度在休闲竹椅中的应用

3 小结

在木材资源紧张的当下，毛竹作为一种新型、绿色环保的家具用材，兼有材质优良、资源丰富、造价低等多种优良特性，在现代室内设计中发挥着重要作用。毛竹的强度高、弹性好、性能稳定、密度小等优良性能，使其越来越广泛地应用于现代家具设计中，前景非常广阔，并将逐步取代其他家具结构用材，可为我国家具业的发展开辟新的途径，同时对提升我国竹材家具行业在国际上的地位具有重要作用。