竹材層間斷裂韌性的測試與研究.pdf

1、竹材是一種典型的單向長纖維增強的生物復(fù)合材料，經(jīng)過億萬年的演化形成了如今的“節(jié)間+節(jié)部”的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，其中節(jié)子的存在對于竹抵抗風(fēng)雪等引起的彎曲劈裂起至關(guān)重要的作用。
　　竹節(jié)由稈環(huán)、籜環(huán)、節(jié)隔、節(jié)隔上沿四部分組成，節(jié)間維管束通過竹節(jié)時都有不同程度的彎曲，大多數(shù)軸向主維管束直接穿過節(jié)部，而有一部分卻改變了方向:竹壁內(nèi)側(cè)的維管束在節(jié)部彎曲伸向竹壁外側(cè)，另一些竹壁外側(cè)的維管束則彎向竹壁內(nèi)側(cè)，還有一部分維管束橫向進(jìn)入節(jié)隔，迂回曲折盤繞，或沿

2、周向橫臥或通過節(jié)隔交織成網(wǎng)狀分布，再伸向竹桿的另一側(cè)。竹節(jié)的密度稍大于其相鄰節(jié)間材的密度。
　　竹材也是一種極端各向異性材料，其軸向抗拉強度可高達(dá)150~300MPa，但其橫向抗拉強度與順紋抗剪強度卻僅有前者的1/85和1/20。為此，竹材在使用過程中常常會出現(xiàn)各種剖面的順紋向開裂，這些開裂行為在復(fù)合材料學(xué)上也稱層間開裂，而且一旦存有順紋向裂紋，其分層的傳播不是由強度控制，而是由竹材的層間斷裂韌性控制。研究竹材的分層斷裂行為與測試

3、竹材分層斷裂韌性對竹結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和竹材利用等都十分重要。但目前在此方面開展的研究和實驗很少，而對竹節(jié)在竹材層間斷裂過程中的行為機制和韌性貢獻(xiàn)卻未見報道。以及常用來評估復(fù)合材料Ⅱ型層間斷裂的實驗參數(shù)帶入法、Timoshenko梁理論法和柔度標(biāo)定法中，哪種計算方法更適宜用于竹材的Ⅱ型層間斷裂韌性,尚有待于探索。
　　本文首先通過使用雙懸臂梁(DCB)法測試了毛竹材節(jié)間材與含節(jié)材的Ⅰ型層間斷裂韌性，探究了毛竹材節(jié)間材與含節(jié)材的Ⅰ型層間斷

4、裂韌性的差異；其次采用端部切口彎曲梁(End Notched Flexure，ENF)試樣，通過使用實驗參數(shù)帶入法、Timoshenko梁理論法和柔度標(biāo)定法分析計算了毛竹節(jié)間材順紋向的Ⅱ型（面內(nèi)剪切型）層間斷裂韌性GIIC，并對斷口形貌作了分析，得到如下結(jié)果：
　　（1）本文通過使用雙懸臂梁(DCB)法測試了毛竹材節(jié)間材與含節(jié)材的Ⅰ型層間斷裂韌性，探究了毛竹材節(jié)間材與含節(jié)材的Ⅰ型層間斷裂韌性的差異，結(jié)果如下：毛竹材節(jié)間材的Ⅰ型層間

5、斷裂韌性GIC-Internode=498.48J/m2(SD=64.52 J/m2)；毛竹材含節(jié)材的Ⅰ型層間斷裂韌性GIC-Node=1431.45J/m2(SD=198.01 J/m2)。
　?。?）含節(jié)材的Ⅰ型層間斷裂韌性大于節(jié)間材的Ⅰ型層間斷裂韌性，表明竹節(jié)的存在對阻礙竹材發(fā)生層間斷裂起很大貢獻(xiàn)作用。通過分析其斷裂機制，得到毛竹材節(jié)部的特殊構(gòu)造是引起上述Ⅰ型層間斷裂韌性差異的主要原因。
　?。?）采用端部切口彎曲梁(

6、ENF)試樣測定了毛竹材順紋向的Ⅱ型層間斷裂韌性，并采用不同方法計算了毛竹材的Ⅱ型層間斷裂韌性值，在實驗參數(shù)帶入法、Timoshenko梁理論法和柔度標(biāo)定法這三種計算方法中，
　　以實驗參數(shù)帶入法計算毛竹材Ⅱ型層間斷裂韌性為好，該值為1303.18J/m2(變異系數(shù)＝8.96％)，基本上與竹稈高度無關(guān)。
　　（4）分析毛竹材的Ⅱ型層間斷裂的斷口形貌，裂紋的擴展基本為自相似開裂，但斷面較為粗糙，在Ⅱ型裂紋擴展區(qū)域中基本組織顯示