竹材多尺度力学性能：测试与分析

本书通过对毛竹宏观竹材、维管束以及单纤维等做系统力学测试，研究竹材在不同结构尺度下的力学行为，建立竹材结构多尺度力学模型，揭示竹材良好力学性能的本质。
主要内容包括：绪论、竹材宏观结构力学性能测试、竹材篾片纵向力学性能试验、竹材细观尺度力学性能试验、竹材薄片与维管束纵向力学性能、竹材微观尺度力学性能试验、竹纤维与竹维管束纵向力学性能、竹材结构多尺度力学性能的关联。
本书可供从事竹木材科学研究、竹质资源有效利用、竹材深加工的科学研究、工业生产的相关技术人员阅读，还可作为普通高等学校力学、材料工程以及木材科学与加工等相关专业师生的教材或教学辅助用书。

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第1章 绪论  001
1.1 竹材力学性能基础 004
1.1.1 宏观结构（竹材）力学性能研究 006
1.1.2 竹维管束、竹纤维提取方法 010
1.1.3 细观结构（竹维管束）力学性能研究 013
1.1.4 微观结构（竹纤维）力学性能研究 017
1.1.5 竹纤维增强复合材料研究进展 023
1.1.6 竹材跨尺度力学性能研究现状 025
1.2 本书主要内容 026

第2章 竹材宏观结构力学性能测试  029
2.1 竹材节间纵向力学性能测试 030
2.1.1 竹材节间拉伸力学性能测试 031
2.1.2 竹材节间压缩力学性能测试 034
2.2 竹材节间横向力学性能测试 035
2.2.1 竹材节间横向压缩劈裂行为测试 035
2.2.2 正交各向异性中空竹材结构的失效机理 038

第3章 竹材篾片纵向力学性能试验  045
3.1 材料和方法 045
3.1.1 试验方案的制定 045
3.1.2 试样的选取 046
3.1.3 试验方法 046
3.2 结果与讨论 049
3.2.1 试样密度及含水率的测定 049
3.2.2 竹材薄片力学性能梯度分布规律 049
3.3 小结 053

第4章 竹材细观尺度力学性能试验  054
4.1 竹维管束试验方案的制定 054
4.2 竹维管束形态及体积含量变化规律 055
4.2.1 毛竹维管束的形态 055
4.2.2 维管束体积含量的测定 056
4.2.3 维管束体积含量变化规律 057
4.3 竹维管束拉伸测试 057
4.3.1 竹维管束的提取 057
4.3.2 试样横截面面积测量 059
4.3.3 拉伸试样预处理 059
4.3.4 拉伸测试 060
4.4 结果与讨论 061
4.4.1 维管束破坏模式 061
4.4.2 维管束拉伸测试结果 063
4.4.3 竹维管束不同位置处强度的梯度分布规律 066
4.4.4 竹维管束不同位置处弹性模量梯度分布规律 068
4.4.5 导管孔洞及综合多孔相对竹维管束力学性能的影响 069
4.4.6 竹材基体薄壁细胞组织的力学性能 072
4.5 小结 074

第5章 竹材薄片与维管束纵向力学性能  076
5.1 混合定律模型 076
5.2 混合定律模型在分析竹材力学性能时的不足 078
5.3 修正混合定律模型 080
5.3.1 竹材复合材料弹性模量计算公式 082
5.3.2 竹材复合材料强度计算公式 083
5.3.3 竹材宏观结构弹性模量梯度变化规律 084
5.3.4 竹材宏观结构强度梯度变化规律 085
5.4 小结 087

第6章 竹材微观尺度力学性能试验  088
6.1 竹材单纤维拉伸试验方案的制定 088
6.2 竹材单纤维试样的分离 090
6.3 竹材单纤维拉伸测试 091
6.3.1 单纤维试样制备 092
6.3.2 单纤维试样横截面面积测量 092
6.3.3 拉伸力学测试 094
6.4 结果与讨论 095
6.4.1 断裂载荷 095
6.4.2 抗拉强度 096
6.4.3 弹性模量 097
6.4.4 断裂应变 097
6.5 小结 098

第7章 竹纤维与竹维管束纵向力学性能  099
7.1 竹维管束及竹纤维的测试 099
7.1.1 竹纤维几何形态 099
7.1.2 胞间层厚度 101
7.1.3 竹维管束、竹纤维力学性能 102
7.2 细观力学模型 104
7.2.1 混合定律 104
7.2.2 Halpin-Tsai经验公式 104
7.2.3 Cox剪滞模型 105
7.2.4 拉剪链模型 109
7.2.5 BW模型 111
7.3 修正剪滞模型分析竹纤维应力场 112
7.3.1 纤维端部形态分析 113
7.3.2 代表体元的建立 114
7.4 竹维管束鞘纵向弹性模量求解 122
7.4.1 模型参数的选取 122
7.4.2 模型预测结果的比较 123
7.5 纤维几何参数对复合材料体内应力分布的影响效应 124
7.5.1 纤维长径比q对纤维应力的影响 125
7.5.2 纤维体积含量对纤维应力的影响 126
7.5.3 纤维锥尖长度对纤维应力的影响 127
7.5.4 纤维长径比对复合材料弹性模量的影响 128
7.5.5 模型待改进之处 129
7.6 小结 130

第8章 竹材结构多尺度力学性能的关联  132
8.1 竹材结构微观尺度和细观尺度力学性能之间的关系 132
8.2 竹材结构细观尺度和宏观尺度力学性能之间的关系 133
8.3 竹材宏观结构功能梯度力学性能变化规律的多尺度表征 134

参考文献  136

竹材作为一种天然材料，具有产量丰富、生长迅速、力学性能优异、对环境友好等特点，引起了人们的极大关注。
竹材生长迅速，对环境友好，在我国资源丰富。作为一种天然生物材料，竹材经过自然进化，结构得到优化，它质地坚硬、强度高、弹性好、性能稳定、密度小，是植物中作为结构材料的最好原料之一。将竹材及竹维管束作为原材料用于制备环保型绿色复合材料的相关研究越来越引起人们的重视，这不仅提高了竹材的使用价值，而且在一定程度上缓解了木材的供需压力。对竹材进行综合利用，开发具有高附加值的竹制产品，大力推广“以竹代塑”“以竹胜木”新理念，目前正成为我国竹质产业的重点发展方向。
竹材既是功能梯度材料，又是天然纤维增强复合材料。受外界环境（如风载等产生的应力）的刺激，竹子逐步改善其几何形状以及内部结构以满足强度、刚度的需要，最终使得竹材结构具有功能梯度材料的特点。作为天然纤维增强复合材料，竹材所表现出来的良好力学性能与其独特的宏观（竹秆）、细观（竹维管束）、微观（竹纤维）和纳观（纤维束微纤丝）结构有关。竹材是典型的多尺度层次结构，具有从亚细胞水平、细胞水平、组织水平到宏观尺度的多级复合结构。
从微观尺度到宏观尺度的精巧多级结构是赋予竹材良好力学性能的本质所在。前人工作已经为揭示竹材在不同尺度下的力学性能的变化规律做了不同程度的探索，也为开展竹材力学性能的跨尺度研究提供了可能，但目前相关研究还存在许多不足之处，更深层次探讨竹材多级结构力学行为，进而从理论高度全面揭示竹材灵巧结构形成机制的工作还有待深入开展。笔者近十年来对毛竹维管束的力学性能做了跨尺度研究，针对目前竹材力学性能研究中存在的问题做了一些积极探索。
全书共分8章，选择毛竹为研究测试对象，通过对毛竹宏细微观结构即竹材、篾片、维管束以及竹材单纤维等做系统力学测试，研究竹材在不同结构尺度下的力学行为，建立竹材结构多尺度力学模型，分析竹材结构宏、细、微观尺度力学性能间的关系，以期揭示竹材灵巧结构及其良好力学性能的本质，为竹材深加工、环保型竹基复合材料的制备以及开发新型仿生功能梯度材料等提供参考依据。
本书的撰写工作得到了西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室开放课题“天然竹材多级结构力学行为跨尺度研究”（SV2015-KF-15），国家重点研发计划课题“杂粮作物机械收获力学特性研究”（2016YFD0701801），山西省回国留学人员科研资助项目“棉麻禾谷植物单纤维力学性能测试及纤维束复合材料界面表征”（2021-075）的资助，在此表示衷心的感谢。
由于笔者水平和专业知识所限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

著者