竹材的斷裂特性及斷裂機理研究.pdf

1、竹材的力學性質是竹材研究的主要方向，也是竹材加工利用的重要基礎。竹材是一種天然生物質梯度復合材料，具有分級復合結構；其中空、壁薄、離散分布的竹節(jié)等外觀形態(tài)，維管束的梯度分布和細胞壁多層結構造就了竹材強度高、韌性好的優(yōu)良特性，被廣泛應用于結構建筑等領域。斷裂是斷裂力學的研究范疇，也是構件使用過程中選擇和設計的重要依據(jù)。本研究以毛竹（Phyllostachys pubescens Mazel ex H.de Lebaie）為研究對象，以杉木

2、（Cunninghamia lanceolata[Lamb.]Hook.）為對照材料，基于線彈性斷裂力學理論，研究竹材Ⅰ型（張開型）斷裂韌性KIC；運用數(shù)字散斑相關法、電子顯微鏡與加載聯(lián)用裝置和同步輻射μ-CT技術研究竹材斷裂破壞的演變過程和破壞模式，揭示竹材的韌性破壞機理。竹材斷裂特性的研究不僅是竹材基礎性質研究的重要補充，更重要的是為竹材在結構建筑等領域的優(yōu)化設計、合理、科學、高效和安全使用提供科學指導。
　　本論文的主要研究

3、結果歸納如下：
　　1.預置LR方向裂紋竹材的Ⅰ型斷裂韌性KIC明顯高于杉木；從竹青到竹黃竹材的KIC呈下降趨勢。緊湊拉伸法測得竹材KLRIC平均值為12.211 MPa?m1/2。
　　2.三點彎曲法研究竹材預置 LR裂紋的斷裂韌性KLRIC表明，由于竹材纖維在竹材內部分布的不均勻性，裂紋預置在竹黃面K LRIC為9.81MPa?m1/2，裂紋預置在竹青面KLRIC5.476 MPa?m1/2高78.82％。
　　3

4、.三點彎曲法研究預置LT裂紋竹材的K LTIC，竹青、竹肉和竹黃部位竹材K LTIC分別為9.636 MPa?m1/2，6.533 MPa?m1/2和4.361 MPa?m1/2，呈梯度下降，竹材的斷裂韌性KLTIC與纖維含量相關。
　　4.沿徑向分層竹片預制LT的竹材斷裂韌性KLTIC從竹青到竹黃逐漸下降；杉木木片斷裂韌性KLTIC介于竹片竹肉2和竹肉3之間，比竹肉2低42.47%，比竹肉3高出5.9%，竹材的I斷裂韌性總體上高

5、于杉木。
　　5.數(shù)字散斑相關法研究竹材受力過程中應變場演變過程表明，隨著拉伸載荷增加，應變量增大，在裂紋頂端區(qū)域應變場集中，隨著載荷增加應變場集中范圍擴大；相同拉伸載荷水平下從竹青到竹黃，應變量應變集中區(qū)逐漸增大。三點彎曲加載方式下，預制LR裂紋的竹材，裂紋預制在竹黃面的應變量小于裂紋預制在竹青面應變量；前者應變場集中區(qū)域在裂紋頂端沿垂直預置裂紋方向擴展，而后者沿裂紋預置方向擴展，主要受竹材內纖維不均勻分布影響。相同條件下，杉木

6、應變量和裂紋頂端的集中區(qū)域都大于竹材，對比表明竹材抗斷裂能力高于杉木。
　　6.電子顯微鏡與加載裝置聯(lián)用，原位觀察竹材破壞過程顯示，竹材受拉伸和彎曲荷載時其裂紋擴展方式不同。順紋拉伸時，裂紋先沿著原來方向擴展至纖維束之后，裂紋擴展方向發(fā)生改變，沿著纖維束與薄壁組織界面順紋擴展，主要由于界面強度遠小于纖維束的拉伸強度。不同部位竹材拉伸斷裂方式不同，竹青為沿界面發(fā)生劈裂，竹肉呈臺階式破壞，竹黃斷面齊整，破壞模式與竹材的纖維含量相關。三

7、點彎曲加載方式竹材破壞路徑呈“Z”字形，纖維束逐層破裂破壞，裂紋擴展需要較多的能量，與木材裂紋擴展過程中會產(chǎn)生很多小裂紋不同，表現(xiàn)出很好的韌性。
　　7. ESEM觀察竹材拉伸破壞斷面顯示，薄壁組織拉伸破壞為整齊破壞，維管束先拔出、拉長，到逐漸破壞。三點彎曲破壞特征為，纖維束被拉出竹材，界面破壞；外側拉伸纖維束長度較內層長。杉木破壞斷面整齊斷裂，斷面粗糙。竹材的破壞模式為復合材料的斷裂特性。
　　8.同步輻射μ-CT技術觀察

8、竹材破壞內部結構，竹材拉伸破壞的內部斷裂模式為：基質斷裂，界面損傷，基質破壞、纖維橋聯(lián)，纖維斷裂。竹青纖維含量高，主要發(fā)生界面破壞，纖維斷裂；竹肉纖維含量適中，發(fā)生基質破壞、纖維橋聯(lián)；竹黃纖維含量較少發(fā)生基質斷裂，纖維拉出斷裂。斷面觀察纖維束破壞呈塔狀。弦向三點彎曲加載時，竹黃側破壞比竹青側快，纖維束逐層剝裂，表現(xiàn)出典型的韌性破壞模式。
　　9.竹材竹青、竹肉和竹黃三個部位的維管束拉伸強度和模量逐漸下降。纖維的拉伸強度和模量分別為