陈美玲 刘 嵘 王 戈 方长华 马欣欣 张淑琴 费本华

(国际竹藤中心 竹藤科学与技术国家林业和草原局重点实验室 北京 100102)

竹材生长快、周期短、产量高，一次种植，永续利用。作为一种典型的天然生物质材料，竹材具有从细胞水平、组织水平到宏观水平的多级复合结构(Nogataetal.，1995)，其中空、壁薄、竹节离散分布的外观形态，高度和直径方向上维管束的梯度分布以及细胞壁多层结构造就了竹材独特的力学性质(Dixonetal.，2014；Chenetal.，2018；Fangetal.，2018；Lüetal.，2018；2019)，被广泛应用于多个领域。分割剖成的竹篾可通过编织工艺制成竹工艺品，也可采用缠绕工艺制成竹缠绕管道等(费本华等，2018)，这些都充分发挥了竹篾拉伸强度高、柔韧性好的特点，体现了竹材优异的弯曲性能。

目前，国内外学者在宏观尺度上对竹材力学性质展开了诸多研究(Lowetal.，2006；黄盛霞，2007；Obatayaetal.，2007；邵卓平，2009；Habibietal.，2015；Wangetal.，2013；2014；Liuetal.，2016；Chenetal.，2018；2019)。安晓静(2013)从组织层面分析了维管束和薄壁组织对竹材宏观力学性能的贡献，田根林等(2012)也从组织层面来揭示竹材的增韧机制；但这些研究没能从根本上解释竹材具有良好弯曲性能的机制。

竹材优异的弯曲性能源于其独特的微观结构，本研究以毛竹(Phyllostachysedulis)竹蔑为研究对象，采用循环加载-卸载方式，在电镜下观察弯曲过程中竹篾拉伸层薄壁细胞的形态变化。通过分析循环加载过程中细胞长轴和短轴的变化、拉伸层薄壁组织的应变变化、拉伸层薄壁细胞长轴和短轴的应变变化以及拉伸层薄壁细胞回弹率的变化，比较不同加载状态下细胞的变形，从微观层面探索竹材的弯曲性能，以期为竹材弯曲机制的研究和开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

毛竹材采自黄山林场，该林场海拔525 m，坡向西南，坡度25°。选取立地条件基本相同、平均胸径10 cm的4年生毛竹，齐地伐倒后，在离地面1.5 m竹节中部选取试验材料，气干待用。从试样中选取竹肉部分(图1)，制成长度为40 mm、宽厚为(1.2±0.2) mm的试样，试样中存在维管束，调温调湿至含水率为10%～12%，然后进行离子溅射镀膜，用于电镜观察。

图1 试样选取部位示意Fig.1 Sample preparationLD：纵向Longitudinal direction；TD：弦向Tangential direction；RD：径向Radial direction.

1.2 研究方法

1.2.1 加载电镜图像采集 采用电子显微镜和加载装置联用观察技术，实时监测竹材在三点弯曲加载过程中拉伸层细胞形态变化(图2)。观察设备为FEI公司的Quanta 2000电子显微镜(SEM)，样品室内装有Deben公司的Microtest 2000微型力学测试装置，传感器载荷量程为660 N，跨距为24 mm，加载速率为0.4 mm·min-1。将试样置于样品加载台上(图2b)进行径向加载，竹黄面朝上，使竹青面受拉，动态记录试样加载过程。采用循环加载-卸载方式，采集加载位移为0、0.2、0、0.6、0、1.0、0、1.4、0、1.8、0 mm处的图像，对压头正下方的受拉层薄壁细胞(图2c红色框所示)和薄壁组织(图2c虚线框所示)进行分析。

图2 扫描电镜样品仓Fig.2 SEM sample holder

1.2.2 薄壁细胞及薄壁组织形态分析 采用Image-Pro Plus软件研究加载过程中试样未破坏前的薄壁细胞及薄壁组织，分别进行形态变化测量和分析。以细胞腔为参照，提取细胞边界，根据边界提取薄壁细胞的形态参数，测量薄壁细胞长轴和短轴尺寸，并计算其在水平方向上发生的长轴应变及在竖直方向上发生的短轴应变，计算公式如下：

式中：ε表示应变；l0表示细胞的初始长度(mm)；l表示细胞变形后的长度(mm)。

同时，对选取细胞所在层的薄壁组织进行应变计算。由于其竖直方向应变可近似等同于中心单个薄壁细胞的短轴应变，故只进行水平方向的应变统计。

1.2.3 回弹率分析 对循环加载-卸载的细胞进行回弹率分析，回弹率(R)计算公式如下：

式中：T0表示试样加载前细胞尺寸(mm)；Tc表示试样加载后细胞尺寸(mm)；Tr表示试样卸载后细胞尺寸(mm)(孙光瑞，1997)。

2 结果与分析

2.1 弯曲过程中受拉层薄壁细胞的形态变化

由图3a可知，随着加载位移增加，细胞长轴长度逐渐增大，在同一循环周期内，卸载后的薄壁细胞长轴发生回弹。由图3b可知，短轴的变化趋势与长轴不同，随着加载位移增加，细胞短轴长度逐渐减小，在同一循环周期内，卸载后的薄壁细胞短轴也发生回弹。薄壁细胞长轴方向发生的变形比短轴明显，受拉层薄壁细胞长轴和短轴的初始长度分别为209.79 μm和43.50 μm，加载到1.8 mm时，长轴和短轴长度变为211.94 μm和43.19 μm。

由图4a～c可知，加载前后细胞的形态变化无法直观识别。采用Image-Pro Plus软件的匹配功能，以细胞中轴线为参照，对变形后细胞与初始未变形细胞进行匹配，匹配图显示出的颗粒感所在位置即为2张图像的差异，可直接观察加载前后细胞形态发生的变化，如图4d～i所示。由图4d可知，2个完全一样的细胞经过匹配，图像无颗粒感，表面非常平滑，但图像粗糙度略微变大，可以看见一个模糊的细胞轮廓，这说明细胞已经开始发生变形，只是变形程度较小。随着加载位移增大，图像粗糙度变大，细胞轮廓越来越明显，表明单个薄壁细胞变形程度逐渐增大。由图4i可知，细胞在水平方向上变形明显，在竖直方向上变化不明显。从整体上看，与短轴相比，细胞长轴方向产生的差异较为明显。如图4i中箭头A所指区域较为光滑，该区域未发生变形，箭头B所指区域粗糙度很明显，说明相邻薄壁细胞的细胞壁产生皱褶。利用Image-Pro Plus软件提取细胞边界，对变形后细胞与初始未变形细胞进行轮廓匹配，由图4j可知，细胞在长轴方向发生明显拉伸，短轴长度变化不明显；对卸载后细胞与未受力变形细胞轮进行廓匹配，由图4k可知，未受力细胞与卸载后细胞的轮廓差异较小，说明卸载后细胞发生了回弹。

图3 细胞变形与加载位移的关系Fig.3 The relationship between cell deformation and displacementa.细胞长轴长度与加载位移的关系The relationship between parenchyma cell length and displacement during cyclic loading-unloading；b.细胞短轴长度与加载位移的关系The relationship between parenchyma cell width and displacement during cyclic loading-unloading.

图4 细胞形态变化示意Fig.4 Cell morphological changesa.未变形细胞；b.加载位移为1.8 mm的细胞；c.加载至1.8 mm处卸载后的细胞；d.未变形细胞与未变形细胞匹配示意；e.未变形细胞与加载位移为0.2 mm细胞匹配示意；f.未变形细胞与加载位移为0.6 mm细胞匹配示意；g.未变形细胞与加载位移为1.0 mm细胞匹配示意；h.未变形细胞与加载位移为1.4 mm细胞匹配示意；i.未变形细胞与加载位移为1.8 mm细胞匹配示意；j.未变形细胞与加载位移为1.8 mm细胞轮廓匹配示意；k.未变形细胞与加载位移为1.8 mm卸载后的细胞轮廓匹配示意。黑色轮廓为未变形细胞，红色轮廓为变形后细胞。a.The parenchyma cell before bending;b.The parenchyma cell after bending at the displacement of 1.8 mm;c.The unloading cell;d.The matched diagram between the same cell without load;e.The matched diagram between a and cell at the displacement of 0.2 mm;f.The matched diagram between a and cell at the displacement of 0.6 mm;g.The matched diagram between a and cell at the displacement of 1.0 mm;h.The matched diagram between a and cell at the displacement of 1.4 mm;i.The matched diagram between a and cell at the displacement of 1.8 mm;j.The matched outline between a and b;k.The matched outline between a and c.The black outline and red outline are the cell before and after bending,respectively.

图5 试样的载荷-位移曲线Fig.5 The load-displacement curve of sample

图6 试样弯曲应力与薄壁组织和薄壁细胞应变的关系Fig.6 The sample stress-strain curves of parenchyma and parenchyma cell under bending

图7 细胞回弹率与加载位移的关系Fig.7 The relationship between cell recovery and displacement

2.2 弯曲过程中竹篾的力学性能

由图5可知，当加载位移为0～0.6 mm(前2个阶段)时，试样的载荷和位移呈线性变化，试样发生弹性变形；随后载荷和位移呈非线性变化，试样开始发生塑性变形。

由图6可知，在同一加载状态下，薄壁细胞长轴的应变大于短轴，说明薄壁细胞在长轴方向发生了更大变形。在试样破坏前，细胞长轴和短轴发生的最大应变分别为1.03%和0.71%。薄壁细胞长轴的应变大于薄壁组织，薄壁组织发生的最大应变为0.72%。

2.3 弯曲过程中受拉层薄壁细胞回弹率的变化

由图7可知，在循环加载-卸载过程中，试样从加载位置卸载到初始位置时，细胞长轴和短轴均发生回弹，随着试样发生的加载位移逐渐增大，细胞长轴和短轴发生的回弹率逐渐减小。这可能是由于：1) 组织之间的界面使得薄壁细胞无法完全回弹。据安晓静(2013)研究，各组织之间的弱界面对力学性能有影响，组织之间的弱界面可能降低了薄壁细胞的回弹率。2) 作为一种黏弹性材料，竹材存在延迟弹性变形现象，细胞回弹需要一定时间，所以薄壁细胞不能完全回弹，且回弹率随着加载位移增大而逐渐降低。在试样破坏前，薄壁细胞长轴和短轴的回弹率分别为30.96%.和5.93%。在同一加载状态下，细胞长轴发生的回弹大于短轴，说明薄壁细胞长轴方向的弹性大于短轴。

3 结论

采用Image-Pro Plus软件对细胞进行分析，可直接观察细胞变形。在弯曲过程中，随着载荷增加，在竹篾试样未被破坏前，受拉层薄壁细胞在水平方向上被拉伸，在短轴方向上有轻微压缩。受拉层薄壁细胞在长轴方向上的应变大于短轴，长轴的回弹率比短轴高。当试样发生弯曲变形时，相邻薄壁细胞的细胞壁产生褶皱变形。