基于三维显微成像的毛竹横截面结构表征

陈海鸟， 田 伟， 金肖克， 张红霞， 李艳清， 祝成炎

(浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室， 浙江 杭州 310018)

毛竹是自然界中具有良好力学性能的典型植物之一，可视其为具有优越力学性能的纤维素结构天然复合材料[1-2]，毛竹特殊的节间空心结构和内部梯度分布特点使其拥有良好的整体构造[3]，因此，具有优异的柔韧性、刚性、抗拉强度[4]。毛竹优异的力学性能与其微观结构的合理分布息息相关。洗杏娟等[5]研究发现，维管束厚壁细胞沿轴向排列对竹材力学性能贡献最大，使竹材具有高的强度和刚度。Widjaja等[6]研究发现,毛竹内部结构对竹材抗弯强度、抗压强度和抗拉强度有巨大的贡献。毛竹的结构特征使其具备良好的力学性能，同时启发研究者将毛竹结构分布特点应用于仿生学研究。根据毛竹中的维管束结构沿管壁轴向分布且直径增大、数目减少的特点，人们设计并改进了复合材料管材[7]、承重拉杆[8]、薄壁管[9]等，仿竹结构的设计可在一定程度上提高材料的强度和刚度。

毛竹结构在内外表面的梯度分布不仅降低了毛竹质量，还提升了弯曲刚度，同时在应对外力载荷时能起到吸收能量的作用[10]。传统的纤维增强管状复合材料具备良好的力学性能，但要在轻量化、抗弯强度、高比强度和高比模量方面有所突破，需要尝试在复合材料的结构设计中赋予纤维与树脂结构变化。常见的纤维增强管状复合材料纤维与树脂均匀排布，结构较为单一。毛竹作为天然的管状复合材料，具备高比强度、比模量、轻质高强的优点[11]，借鉴毛竹的结构特征，对纤维增强管状复合材料进行结构设计，使纤维的分布密度、排列形式和树脂基体排列等发生变化，有望获得全新的复合材料。

毛竹的仿生研究是基于其内部结构的分布规律。常见的透视检测技术有超声波检测、X射线检测、核磁共振检测等。超声波检测穿透能力强，但对形状比较不规则的或者是非均质材料的检查不够精确；核磁共振能进行多方位成像，但检测不如X射线敏感，且用时较长。X射线三维显微镜(显微CT)检测适应性强，能适应不同形状组成的样品，具有强大的细节分辨能力。近年来，X射线三维显微镜被广泛地应用于岩石开裂特性[12]、岩芯孔隙[13]、陶器样品微观结构[14]、土壤孔隙网络[15]和复合材料微细观结构[16]等生物、材料、矿石等研究领域，技术较为成熟，其能清晰地展现测试样品的孔隙特征和三维结构，这与毛竹多孔基体包覆结构具有良好的适应性。为此，本文采用X射线三维显微镜对毛竹的横截面进行分析，研究毛竹的维管束和薄壁细胞的结构特征和变化规律，以期为仿竹复合材料的设计提供一定参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

针对不同部位和年份的毛竹，向娥林[17]研究发现，不同竹龄(10 d、30 d、0.5 a、1 a、3 a、5 a)的毛竹随着竹竿老化成熟，维管束尺寸逐渐增大且分布稀疏，在30 d至5 a后基本保持稳定状态，同时维管束形态在成熟期保持稳定。针对不同生长期的毛竹进行研究发现，不同竹龄的成熟毛竹结构特点相似。对毛竹上、中、下部的维管束的研究发现，不同竹龄的毛竹在径向上维管束分布密度都呈现逐渐减小的趋势。基于研究人员对毛竹维管束的研究，年份、部位的变化带来了维管束体积分数总量上的差异，但没有造成基本结构特征的变化[18-19]，因此，本文选取了江苏镇江毛竹，2 a生，生长发育良好，取中段部位，沿毛竹轴向切取样品，考虑到样品固定方便和获取图像的高分辨率，将样品制作成约为0.2 cm×0.2 cm×1 cm的长方体。

1.2 测试方法

本文采用美国蔡司公司生产的610/Xradia610Versa X射线三维显微镜，该系统使用独特的二级放大技术，即几何放大和光学放大成像，最终由高灵敏度高分辨率CCD相机获得数字图像，其原理如图1[20]所示。

图1 X射线三维显微镜光学放大原理Fig.1 Optical magnification principle of X-ray three-dimensional microscope

1.2.1 X射线三维显微镜扫描及三维图像重构

将制好的毛竹样品固定在X射线三维显微镜的载物台上，扫描开始时试样随样品台转动，由左侧光源处发射X射线，其穿透样品台上的试样，经闪烁片、放大器及快速CCD相机，由数据软件处理实现对试样结构高精度成像，成像精度达到微米级。其重构过程为利用一次圆周扫描获取系列透视图像，然后采用相应重建算法，使重建样品区域为吸收系数u的三维分布。

1.2.2 维管束和薄壁细胞面积测定

利用Image-pro plus6.0图像分析软件对毛竹截面进行选区染色，染色后使维管束与薄壁细胞之间的界限更加明显，根据截面图像的比例尺设定标尺，最后测量面积。

2 结果与讨论

2.1 毛竹结构形态分析

毛竹样品经X射线三维显微镜重构后形成立体图像，重构后三维图像上主要分布有2种显示亮度的组分，如图2所示。分别是亮度较低的孔隙部分和亮度较高的阴影部分。从图2可以看出，毛竹立体结构为三维包覆结构，与其天然纤维素复合材料的结论一致。初步观察可见，图中有2种形态的孔隙结构，较小孔隙位于柱体四周，较大孔隙位于截面表面。

图2 毛竹三维重构图Fig.2 Three-dimensionsal reconstruction of moso bamboo

毛竹节间横截面的X射线三维显微镜图像(重构图像的上表面)如图3(a)所示。

图3 毛竹横截面及其定义Fig.3 Cross-section of bamboo and its definition. (a) Bamboo cross-section image;(b) Definition of components of moso bamboo

由图3(a)可以看出，毛竹横截面主要由维管束和基本薄壁组织组成，其中维管束是由高度木质化的纤维鞘(纤维细胞)、导管孔和多孔相结构组成。基本薄壁组织则由大量薄壁细胞排列构成，如图3(b)所示。可将毛竹维管束、薄壁细胞包覆结构视为以维管束为纤维增强体、薄壁组织为树脂基体的纤维增强复合材料结构。其中维管束是毛竹的主要力学承重结构，薄壁细胞起到填充和应力缓冲的作用。

2.2 维管束分布规律

维管束是毛竹主要的力学承重结构，在仿竹复合材料研究中的应用最为广泛，主要研究内容为维管束在毛竹径向上的结构变化，即沿维管束的形态变化、面积大小变化和体积分数变化。维管束呈连续纤维状，通常将维管束视为纤维增强复合材料结构中的纤维部分，通过分析维管束的分布规律可获得纤维在复合材料中的分布。

2.2.1 维管束长短轴变化规律

将图3(a)中的维管束形态利用IPP6.0进行染色处理，截取维管束部分，利用Adobe IIIustrator对处理后的图像重绘并细化处理，得到维管束截面图像如图4所示。图中白色和灰色孔状结构均为导管孔，其中灰色部分在原图中显示较为模糊。

图4 维管束分布图Fig.4 Vascular bundle distribution diagram

毛竹横截面维管束存在2种形态，半开放型维管束和开放型维管束，如图5所示。将维管束的横向定义为短轴，纵向定义为长轴。根据维管束的形态差异可将毛竹竹壁分为内外两侧，其中开放型位于横截面的内侧，半开放型位于横截面的外侧。从图可以看出，由外到内维管束形态逐渐由半开放型向开放型过渡。半开放型维管束呈2瓣结构，整体结构分为2部分，上部为单独纤维鞘，下部纤维鞘抱合在一起。开放型维管束为4瓣结构，4个纤维鞘呈现分离态。

图5 毛竹维管束由外到内形态变化Fig.5 Vascular bundle of moso bamboo changes from outside to inside

从整体变化趋势上看，半开放型维管束的平均长轴长度大于开放型维管束的，但与短轴均值相比则较小。结合维管束内外形态分析，由于维管束2瓣结构呈现上下分离、左右抱合状态，这种结构拉长长轴距离的同时缩短了短轴距离。当维管束过渡为4瓣结构，4个纤维鞘相互独立时，维管束左右方向上短轴变长，上下2瓣向中心靠拢使长轴变短。内外两侧维管束长短轴平均比值分别为1.039 6和1.332 0。由竹璧外侧到内侧，维管束长轴均值由0.35 μm增大到0.41 μm，短轴均值由0.47 μm减小到0.43 μm。

维管束长轴逐渐变小，短轴逐渐变大，最后长短轴趋于一致，且形态逐渐稳定为4瓣结构。对于仿生复合材料而言，维管束的长短轴形态变化在纤维上表现为纤维截面的变化。可以通过在复合材料的内外两侧采用不同截面的纤维来实现类似于维管束长短轴变化。

2.2.2 维管束组分分布规律

在纤维增强复合材料设计中，通常将维管束看成是长纤维，因此，维管束组分分布规律的研究将为复合材料中纤维的排列提供一定参考。维管束的面积主要是由纤维相(纤维鞘和多孔相结构)和导管面积组成的[21]。在竹壁组织中，维管束是决定毛竹力学性能的主要成分[22]。而纤维相又是维管束的重要力学结构单元，所以纤维相的面积占比影响着毛竹的力学性能。导管则是由一种死亡的只有细胞壁的细胞构成，呈上下贯穿结构。本节主要研究维管束的变化规律，从维管束的面积分布和体积分数2个方面进行分析。维管束基本面积公式为：维管束面积=纤维相面积+导管面积。

2.2.2.1维管束面积及其分布规律 本文横截面中共有15个完整的维管束结构，根据形态结构将其分为半开放型维管束(位于外侧)和开放型维管束(位于内侧)。结合维管束形态结构发现，2瓣结构向4瓣结构过渡过程中维管束形态发生改变，面积随着形态的变化发生变化。每个单独的维管束中共有3个导管孔，外观呈椭圆形。表1示出竹壁内外两侧维管束和导管的面积，开放型维管束中的维管束与导管面积均大于半开放型中的面积。开放型维管束导管面积范围变化小，大小较均匀，单个面积占维管束面积不到十分之一。维管束面积和导管面积由外到内呈增大趋势。

表1 维管束和导管面积均值Tab.1 Mean area of vascular bundle and vessel mm2

纤维相结构是维管束主要力学结构单元，探究由外到内纤维相面积占比的变化，从而得到其在维管束内总体的变化趋势。研究发现半开放型维管束中纤维相面积占比大于0.87，大于开放型维管束中该部分面积占比0.82。总体上看，纤维相占维管束的绝大部分，是维管束最主要的成分。

在设计纤维增强复合材料时，维管束视为复合材料的纤维增强体部分，由外到内面积呈增大趋势，在复合材料中由外到内纤维直径应该逐渐增大。

2.2.2.2维管束体积分数及中心轴距变化 为量化2个维管束间的距离变化，将维管束中心轴距定义为相邻2个维管束间其长短轴交点的距离。以维管束的体积分数和中心轴距为指标，将横截面图像由外到内均匀分为4个区域(图6(a)中A为起始点))，作出由外到内变化趋势如图6(b)所示。

图6 维管束各区域及变化Fig.6 Vascular bundle area and variation. (a) Sectional area distribution; (b) Variation of vascular bundle volume fraction and wheelbase

由图6可知，维管束由外到内体积分数逐渐减小，相邻维管束中心轴距逐渐增大，在截面图上呈现维管束逐渐稀疏趋势，2个维管束间薄壁细胞面积逐渐增多。

维管束的体积分数、轴距的变化证实了毛竹的梯度分布结构，这种梯度分布结构正是毛竹力学性能的重要保证。通过研究可以将这种结构应用于复合材料纤维设计中，设计出具有梯度结构的复合材料。

2.3 薄壁细胞面积分布及规律分析

2.3.1 薄壁细胞形态结构

薄壁细胞作为基体结构，在细胞间起到填充的作用，力学性能上起应力缓冲作用。在复合材料结构中通常将薄壁细胞视为树脂基体。薄壁细胞呈小孔状，结构近似为不规则椭圆形，个体间排列紧密，又相对独立，填充在维管束间，其直径为8.7～54.0 μm。薄壁细胞边缘与维管束的纤维鞘部分相邻，导管被纤维鞘包裹，为空心结构，呈V字分布如图7(a)所示。薄壁细胞将毛竹横截面划分为4个区域，呈现X型分布如图7(b)所示。

图7 毛竹横截面图像Fig.7 Moso bamboo cross-section image. (a) Local enlarged cross-section diagram; (b) Local magnification of cross-section image

2.3.2 薄壁细胞面积变化规律

将毛竹横截面由外到内分为4个区域(见图6(a))，观察到薄壁细胞面积由外到内呈现一定变化趋势，在各区域内各选取30组薄壁细胞，通过IPP6.0图像处理得到单个薄壁细胞面积，并分析其变化趋势。表2示出单个薄壁细胞面积随距离A点所在切线距离的增加而逐渐增大。可知，毛竹薄壁细胞由外到内面积逐步增大，与各区域维管束中心轴距离呈现相似的变化趋势。由外到内各薄壁细胞面积逐渐增大，相邻维管束中心轴距逐渐增大，进一步证实了毛竹的梯度分布结构。在仿生复合材料中，薄壁细胞类似于树脂基体，由此可将这种规律性变化应用到树脂的变化中。由薄壁细胞个体的增大可得其单位面积内数量减少，所以由外到内薄壁细胞由密变疏，树脂的设计也可呈现这种变化。

表2 单个薄壁细胞面积随点A所在切线距离的变化Tab.2 Changes of single parenchyma cell area

3 结 论

本文利用X射线三维显微镜研究了毛竹横截面微观结构。将毛竹横截面视为纤维增强的复合材料结构，其中维管束视为纤维增强体，薄壁细胞视为树脂基体。毛竹维管束长、短轴形态由外到内长轴变短、短轴变长，最后逐渐趋于稳定；由外到内维管束面积呈增大趋势，且维管束的体积分数逐渐减小，纤维相面积和相邻维管束中心轴距增大；毛竹单个薄壁细胞面积沿着外部向内部过渡，呈逐渐增大趋势，由此得出毛竹截面的梯度变化规律。将这种梯度变化规律应用到纤维增强复合材料的设计中，通过改变纤维和树脂的分布以实现仿生复合材料整体结构的梯度变化。