【摘 要】
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泊松比作为表征材料弹性的重要性能参数,对材料的加工及其成品的刚度和稳定性具有重要的意义。系统开展竹材泊松比的科学研究,为具有特殊功能尤其是考虑泊松效应的竹质复合材料的研发提供重要的理论数据,对推动我国竹材科学理论体系的发展具有非常重要的意义。本文以毛竹为研究对象,采用静电电阻应变仪和纳米压痕仪,研究了毛竹不同生长高度、竹龄以及竹壁径向部位的泊松比,分析了毛竹泊松比的变化规律;通过现代分析测试手段,
【基金项目】
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国家自然科学基金“基于纳米压痕技术的竹材细胞壁泊松比变化规律的研究”(No.31800473);
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泊松比作为表征材料弹性的重要性能参数,对材料的加工及其成品的刚度和稳定性具有重要的意义。系统开展竹材泊松比的科学研究,为具有特殊功能尤其是考虑泊松效应的竹质复合材料的研发提供重要的理论数据,对推动我国竹材科学理论体系的发展具有非常重要的意义。本文以毛竹为研究对象,采用静电电阻应变仪和纳米压痕仪,研究了毛竹不同生长高度、竹龄以及竹壁径向部位的泊松比,分析了毛竹泊松比的变化规律;通过现代分析测试手段,测试分析了密度、结晶度、三大素含量以及微纤丝角等毛竹组织构造特征,并探讨了其对毛竹泊松比影响及内在联系。主要结论如下:(1)采用电测法测量不同竹龄、不同竹秆高度以及竹壁不同径向部位的毛竹宏观泊松比,并对其变化规律进行分析。结果表明,泊松比最大值为2年生竹材1.5m近竹青处,数值为0.334,泊松比最小值为6年生竹材5.5m近竹黄处,数值为0.180;竹材泊松比随着竹龄的增加呈递减趋势,随着竹秆高度的增加呈递减趋势,沿竹壁径向由近竹青到近竹黄呈递减趋势;相关性分析表明,竹龄和竹秆高度与泊松比呈负相关关系但相关程度较弱,竹壁径向部位与泊松比呈负相关关系且相关程度中等;回归分析表明,竹秆高度、竹壁径向部位和竹龄均是影响竹材泊松比的重要因素,其中径向部位的相关程度最高,三者建立的线性回归方程拟合度较高。(2)采用纳米压痕技术测量不同竹龄、不同竹秆高度以及竹壁不同径向部位的的竹材细胞壁泊松比,并对其变化规律进行分析,探寻竹材细胞壁泊松比与宏观泊松比的关联性。结果表明,纳米压痕技术在竹材细胞壁泊松比测试中切实可行,且打点位置需在细胞壁S2层;试验测得竹材细胞壁泊松比的数值在0.288~0.347之间,且在竹材相同部位,竹材细胞壁泊松比均大于其宏观泊松比;随着竹龄的增大,竹材轴向刚度降低幅度大于竹材横向刚度降低幅度,使得竹材细胞壁泊松比随着竹龄的增大呈递减趋势;随着竹秆高度的增加,竹材轴向刚度增加幅度略小于竹材横向刚度增加幅度,使得竹材细胞壁泊松比随着竹秆高度的增加呈递减趋势;沿近竹青到近竹黄,竹材轴向刚度降低幅度高于竹材横向刚度降低幅度,使得竹材细胞壁泊松比沿径向部位从近竹青到近竹黄呈递减趋势。(3)采用现代分析检测手段,测试分析不同因素与泊松比的影响及内在联系。结果表明:竹材密度与泊松比呈正相关;纤维素含量与泊松比呈正相关,木质素含量与泊松比呈负相关,半纤维素含量与泊松比无显著相关性,这是由于纤维素和木质素分别影响竹材轴向应变和横向应变;结晶度通过影响竹材轴向应变对竹材泊松比产生影响;微纤丝角(MFA)与泊松比呈正相关,相关性较强。
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