袁 晶，张雪霞，余 雁，陈冠军，王汉坤

（1.国际竹藤中心 竹藤生物质新材料研究所，北京 100102；2.国家林业与草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102）

竹材是仅次于木材的最重要森林资源，集高强、高韧、高弯曲延展性和适当的刚性于一身。竹子生长速度快，3～4 a 即可成材，可替代木材用于建筑、家具、造纸等众多领域，具有很高的经济价值和社会效益[1-3]。

竹材可视为由维管束及薄壁基本组织组成的具有多级结构的两相复合材料，不同类型细胞往往具有不同化学组成和结构特性，承担相应的机械或生理功能[4]。维管束中的纤维鞘为增强相，长径比大，细胞壁较厚，决定了竹材几乎所有的力学性能[5]。竹纤维的纵向弹性模量、断裂强度、断裂伸长率可分别高达47 GPa、1.9 GPa 和5%，比强度、比模量和断裂延展性均明显优于玻璃纤维[6]；薄壁基本组织为基体相，对竹材压缩变形具有非常重要的作用，两者的完美组合是竹材具有优异力学性能的根本原因[7-8]。竹材也可视为功能梯度材料，力学性能在径向呈现显著的梯度变化特征，这与纤维鞘与薄壁基本组织的比例有关。纤维在竹秆横截面的外部区域分布密集，在内表面区域分布稀疏，这是功能梯度材料的典型结构[9]。以毛竹为例，竹黄部位抗拉强度和弹性模量分别为101.85 MPa 和6.65 GPa，而竹青部位抗拉强度和弹性模量则可高达294.26 MPa 和30.30 GPa[10-11]。毛竹的顺纹抗压强度及刚度随维管束分布密度的增加而增加，当纤维鞘含量较低时，试样的塑性变形阶段随薄壁基本组织比例的增加明显延长[12]。

竹材宏观力学性能不仅与纤维鞘和薄壁基本组织的比例有关，还与两者本身的性能密切相关。研究纤维鞘和基本组织的力学性能是进一步深入了解竹材宏观力学特性的基础。最初研究人员通过经典的复合材料混合定律推算竹材维管束（纤维鞘）的力学性能。Shao 等[13]通过计算得出毛竹纤维鞘和薄壁基本组织的弹性模量和拉伸强度分别为40.35 GPa，588.72 MPa 和0.22 GPa，19.42 MPa。随着测试技术的发展，目前已可直接测量纤维鞘和基本组织的力学性能。Shang 等[14]通过微拉伸结合激光共聚焦断层扫描技术，较为准确地测量了毛竹维管束（纤维鞘）的力学性能，并系统研究了维管束和纤维鞘力学性能的径向变异和高度变异，结果表明：毛竹维管束和纤维鞘的纵向拉伸弹性模量和抗拉强度分别为33.9 GPa，482.2 MPa 和47.33 GPa，729.25 MPa[15-16]。安晓静[16]通过显微切割和微拉伸技术，测得薄壁基本组织的拉伸弹性模量抗拉强度分别为0.24 GPa 和20.92 MPa。

综上所述，虽然目前已经知道维管束（纤维鞘）的力学性能及组织比量对竹材力学性能有着重要的影响，但对于维管束具体的形态和构造与宏观力学性能之间相互关系的研究较少。本文以散生竹毛竹，从生竹慈竹、花竹、绿竹为研究对象，分别测试其基本密度，维管束分布密度、纤维鞘组织比量、纤维形态（厚壁或薄壁）及其比例等关键结构数据，定量分析维管束的分布及结构等因素对4 种竹材宏观压缩性能的影响，为竹材的科学加工利用及仿竹材料设计、制造提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试材采集

散生竹毛竹，丛生竹慈竹、花竹、绿竹采集于福建省，试材信息见表1。生长良好、无缺陷的样竹，标记北向后离地0.5 m 伐倒，编号并记录各株的胸径、竹高等信息。

表1 试材信息表Table 1 Information of samples

1.1.2 样品制备

为定量分析维管束的分布等结构信息对宏观力学性能的影响，选取竹壁厚相近的样品，去除青皮、髓环，制成规格约为6 mm（弦向）×5 mm（径向）×20 mm（轴向）的竹块，并将样品横切面抛光。抛光后的样品首先置于实体显微镜下进行图像采集（横切面），然后进行基本密度和纵向压缩力学性能测试。

电镜试样的制作：选取竹肉部位的约3 mm（弦向）×3 mm（径向）×10 mm（轴向）的小样品，将其垂直置于电镜托上，置于扫描电子显微镜（ESEM-XL30,美国FEI 公司）内采集显微图片，以获得其维管束结构信息。

1.2 试验方法

1.2.1 维管束分布密度及纤维组织比量测定

每种竹材样本数为10，应用Image-pro plus 6.0（IPP 6.0,美国,Media Cybernetics,Inc）对1.1.2 采集的图像进行处理。首先将图片导入IPP 软件中，通过勾勒维管束纤维鞘边缘轮廓得到其像素点，图1为处理图片。再通过像素点进行计算获得维管束分布密度及纤维鞘组织比量等结构信息。

1.2.2 厚壁纤维及薄壁纤维组织比量测定

同样利用IPP 软件对1.1.2 中SEM 采集的维管束图片进行处理。本文将采集的维管束电镜图片中肉眼可见孔隙，壁腔比约小于1 的纤维定义为薄壁纤维，密实的壁腔比约大于1 的纤维定义为厚壁纤维。4 个竹种分别选取竹肉部分的10 个维管束，通过IPP 得到其厚壁纤维、薄壁纤维的像素点，计算厚壁纤维及薄壁纤维占整个样品的组织比量。

图1 花竹横切面维管束纤维鞘组织比量测定Fig.1 The determination of fiber sheath area ratio in the vascular bundle of Bambusa albo-lineata

1.2.3 基本密度、顺纹压缩测试

竹材的基本密度、顺纹抗压强度测试参照GB/15780—1995 进行。测试设备为Instron 5582万能力学试验机（美国,INSTRON 公司），载荷传感器量程为10 kN，测试速度为1.5 mm/min。压缩变形由试验机十字头位移获得，因此文中计算所得压缩弹性模量为表观弹性模量。

2 结果与分析

2.1 竹材维管束的分布及结构信息

图2为4 种竹材横切面体式显微镜图片。由图可知，所测4 种竹材的维管束形态和分布密度差异较大，其中毛竹的单根维管束尺寸较小，维管束结构从竹青到竹黄从半开放型过渡到开放型。靠近竹青一侧维管束侧方纤维鞘和内方纤维鞘相连，形成两个大的纤维鞘。靠近竹黄一侧维管束尺寸变大，纤维鞘分化为4 个独立的纤维鞘，这是散生竹典型的维管束特征。3 种丛生竹单根维管束的面积相比毛竹较大，维管束结构从竹青到竹黄是从典型的紧腰型过渡到断腰型，维管束尺寸从竹青到竹黄逐渐变大。靠近竹青一侧，一般有2～3 个纤维鞘。靠近竹黄一侧，除了完整的维管束外还存在游离的纤维股，这是丛生竹典型的维管束特征。

图2 4 种竹材横切面实体显微镜图片Fig.2 Four kinds of bamboo cross-section microscope images

表2为4 种竹材的基本密度及维管束结构参数统计表，由表2可知，4 种竹材中，慈竹和花竹的维管束平均分布密度、单根维管束的面积、纤维鞘的组织比量较高，因此基本密度也相对较高；毛竹单根维管束的面积最小，维管束内纤维鞘的组织比量也很小，仅为0.28。绿竹单根维管束的面积较大（0.14 mm2），纤维鞘的组织比量也较高（0.39），但基本密度最低，原因是绿竹纤维的壁腔比较大，纤维多为薄壁结构（图3d）。毛竹密度明显高于绿竹，是因为成熟毛竹纤维多为厚壁纤维（图3a）。

图3为4 种竹材维管束的电镜图片。选取位于竹肉部位的4 种竹材的维管束进行对比。从图可知，毛竹的维管束最小，但维管束中的纤维鞘多以厚壁纤维为主，慈竹和绿竹维管束尺寸最大，其外方及侧方纤维鞘多为厚壁纤维，但游离纤维股多为薄壁纤维，且壁腔比很小。花竹维管束尺寸介于两者之间，维管束的组成及特点与慈竹和绿竹相近。

表2 4种竹材维管束的结构参数及基本密度Table 2 The vascular bundle structural parameters and basic density of four types bamboo species

图3 4 种竹材的维管束扫描电镜图片Fig.3 The vascular bundle characteristics of four bamboo species

对图3维管束中的厚壁纤维和薄壁纤维的的组织比量进行统计，统计数据见表3。4 个竹种的厚壁纤维组织比量从大到小分布如下：花竹＞慈竹＞毛竹＞绿竹，分别为0.29、0.14、0.12 和0.09，花竹是绿竹的3 倍。薄壁纤维的组织比量从大到小为绿竹＞慈竹＞毛竹＞花竹，分别为0.21、0.20、0.06 和0.03。绿竹约是花竹的7 倍。

表3 4种竹材纤维鞘的结构参数Table 3 The fiber sheath structure parameters of four bamboo species

2.2 竹材的顺纹压缩性能

图4为四种竹材的顺纹压缩性能测试结果。图4a为压缩应力—应变曲线，曲线第一阶段为弹性变形阶段，此时处于材料的弹性区域，应力—应变曲线为直线，斜率即为材料的弹性模量；第二阶段为弹塑性变形阶段，开始产生屈曲及塑性变形；第三阶段为塑性变形阶段，或称为平台期。在此阶段，维管束已发生屈曲不承受载荷，而泡沫状的薄壁细胞在持续压力作用下发生大的塑性变形，因此薄壁细胞含量越高，平台期越长[12]。图4b为四种竹材顺纹压缩性能的数据统计图。花竹顺纹抗压强度和压缩模量最高，毛竹和慈竹次之，绿竹最小。

图4 4 种竹材的顺纹压缩性能Fig.4 Macroscopic mechanical properties of different bamboo species

2.3 竹材顺纹压缩性能的影响因子

2.3.1 基本密度、维管束分布密度

图5为基本密度、维管束分布密度对竹材顺纹压缩性能的影响，由图可知，4 种竹材的顺纹压缩模量和抗压强度与基本密度、维管束的分布密度总体呈线性正相关。基本密度、维管束的分布密度越大，力学性能越好。基本密度和维管束分布密度与顺纹抗压强度决定系数分别为0.990 3、0.788 7，与顺纹压缩模量之间的决定系数分别为0.976 4、0.416 3，前者明显大于后者，表明基本密度是决定竹材顺纹压缩性能更为直接的因子。这是因为基本密度反映的是材料中所有实质物质和孔隙的平均效应，将维管束分布密度、维管束尺寸、纤维鞘组织比量以及厚壁纤维组织比量等因素均包括在内。

图5 基本密度、维管束的分布密度与顺纹压缩性能的关系Fig.5 Relationship between basic density,distribution density of vascular bundles,and the compression performance in parallel direction of bamboo

2.3.2 维管束内纤维鞘组织比量及纤维形态

图6a为纤维鞘组织比量与弹性模量及顺纹抗压强度关系，力学性能与维管束内纤维鞘的组织比量无显著相关性，这是由于不同竹种之间纤维鞘内纤维形态的差异性导致。图3表明，不同竹种纤维鞘中的纤维具体形态存在很大差别。绿竹和花竹的纤维鞘的组织比量相近，但花竹厚壁纤维比例远高于绿竹。慈竹，绿竹的纤维鞘组织比量大于毛竹，其薄壁纤维组织比量相差不大，约为毛竹的3 倍。毛竹的厚壁纤维组织比量与慈竹相差不大，约是绿竹的1.3 倍，但毛竹的力学性能远大于绿竹。薄壁纤维在承担外界载荷时，其在载荷的分担上作用较弱，因此我们对厚壁纤维的组织比量与宏观力学性能进行了分析。图6b是厚壁纤维的组织比量与弹性模量及顺纹抗压强度关系。由图可知厚壁纤维的组织比量与宏观力学性能呈现较好的正相关性。

图6 纤维鞘和厚壁纤维的组织比量与顺纹压缩性能的关系Fig.6 The relationship between the ratio of the tissue ratio of fiber sheath and sclerenchyma fiber and the compression property of straight grain

3 结论与讨论

为深入研究影响竹材宏观压缩性能的因素，以密度差异相对较大的4 种重要经济竹种（毛竹、慈竹、花竹、绿竹）为研究对象，研究了维管束分布密度和结构特点对竹材顺纹压缩性能的影响。研究结果表明：

1）4 种竹材维管束的分布密度、形态及组成差异较大。毛竹（散生竹）的维管束尺寸小于丛生竹，三种丛生竹均含游离纤维股且多为薄壁纤维，慈竹和花竹的单根维管束的面积、纤维鞘的组织比量和厚壁纤维组织比量较高；而维管束平均分布密度，花竹较慈竹更高。

2）4 种竹材宏观压缩应力—应变曲线相近，力学性能存在明显差异。竹材顺纹压缩性能与基本密度、维管束分布密度和厚壁纤维组织比量呈正相关，且与基本密度的相关性最高。维管束的分布密度和厚壁纤维的组织比量是影响竹材压缩性能的结构因素。

综上所述，以往的研究着重于构建单一竹种的基本密度、纤维鞘拉伸性能和维管束组织比量等物理结构因素与竹材宏观力学性能间的关系，本研究在比较了多竹种的基本密度和维管束分布密度对竹材顺纹压缩性能影响的基础上，重点探索并分析了维管束结构因素的作用，发现压缩性能与维管束内厚壁纤维的组织比量之间存在较好的正相关关系。由于生物材料自身变异性大，后续应对更多竹种的维管束特征进行统计性研究。