成像表征手段解析竹節(jié)空間纖維構(gòu)造 助力仿生纖維材料研發(fā)
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊運用多尺度成像和多模態(tài)力學(xué)性能研究的協(xié)同策略，系統(tǒng)分析并明確了竹節(jié)的空間多級次纖維組裝結(jié)構(gòu)，提出了三種纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，為今后開展仿生纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)制研究提供最優(yōu)的設(shè)計方案。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》。
毛竹具有生長快、重量輕、機(jī)械性能強(qiáng)等，不僅是使用歷史悠久的傳統(tǒng)材料，也是現(xiàn)代材料學(xué)研究的重要對象。毛竹的主干可分為竹節(jié)和竹間。分段的管狀竹間占據(jù)了竹子的主體，在機(jī)械支持毛竹生長方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。竹間的天然單向纖維排布結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良機(jī)械性能，使其廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。然而，與竹間相比，竹節(jié)在工程上的應(yīng)用似乎很薄弱，因此在加工過程中經(jīng)常被遺棄。
在毛竹的生長過程中，竹節(jié)具有橫向流體交換和定點機(jī)械加固的功能，對竹子的生存同樣有著關(guān)鍵作用。這種多功能的實現(xiàn)與竹節(jié)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，然而目前有關(guān)竹節(jié)的空間纖維構(gòu)造和構(gòu)效關(guān)系仍然模糊不清。
為研究竹節(jié)內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊運用光學(xué)顯微鏡、三維X射線計算機(jī)斷層掃描及重構(gòu)技術(shù)、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等表征手段對于竹節(jié)空間異質(zhì)的多級次纖維(維管束)結(jié)構(gòu)排列情況進(jìn)行成像，識別了它們的空間布局和互通性。在此基礎(chǔ)上，研究人員提出了三種纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括位于竹節(jié)壁的空間纖維保型性緊密互鎖，位于竹節(jié)壁與隔膜的過渡區(qū)的空間三軸互垂腳手架連接，以及位于隔膜中心區(qū)的各向同性吸能交織。該研究將為將為高性能纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計與制備提供指導(dǎo)。
此外，運用三維X射線計算機(jī)斷層掃描術(shù)，研究人員還發(fā)現(xiàn)竹節(jié)內(nèi)多向排布的維管束纖維可實現(xiàn)液體輸運交換，證實了維管束纖維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和液體輸運的一體化設(shè)計。研究人員仿照這一結(jié)構(gòu)設(shè)計了具有良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和蒸發(fā)效能的光熱水蒸發(fā)裝置。
(資料來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))
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