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成像表征手段解析竹節空間纖維構造 助力仿生纖維材料研發
2022年10月12日 10:10:19
來源：化工儀器網 作者：宋池 點擊量：3919
近日，中國科學技術大學研究團隊運用多尺度成像和多模態力學性能研究的協同策略，系統分析并明確了竹節的空間多級次纖維組裝結構，提出了三種纖維增強結構的設計方案，為今后開展仿生纖維復合結構材料的創制研究提供最優的設計方案。
【化工儀器網 項目成果】近日，中國科學技術大學研究團隊運用多尺度成像和多模態力學性能研究的協同策略，系統分析并明確了竹節的空間多級次纖維組裝結構，提出了三種纖維增強結構的設計方案，為今后開展仿生纖維復合結構材料的創制研究提供最優的設計方案。相關成果發表于《國家科學評論》。
毛竹具有生長快、重量輕、機械性能強等，不僅是使用歷史悠久的傳統材料，也是現代材料學研究的重要對象。毛竹的主干可分為竹節和竹間。分段的管狀竹間占據了竹子的主體，在機械支持毛竹生長方面發揮著關鍵作用。竹間的天然單向纖維排布結構具有優良機械性能，使其廣泛應用于各個行業。然而，與竹間相比，竹節在工程上的應用似乎很薄弱，因此在加工過程中經常被遺棄。
在毛竹的生長過程中，竹節具有橫向流體交換和定點機械加固的功能，對竹子的生存同樣有著關鍵作用。這種多功能的實現與竹節的結構密切相關，然而目前有關竹節的空間纖維構造和構效關系仍然模糊不清。
為研究竹節內部的空間結構，研究團隊運用光學顯微鏡、三維X射線計算機斷層掃描及重構技術、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等表征手段對于竹節空間異質的多級次纖維(維管束)結構排列情況進行成像，識別了它們的空間布局和互通性。在此基礎上，研究人員提出了三種纖維增強結構設計方案，包括位于竹節壁的空間纖維保型性緊密互鎖，位于竹節壁與隔膜的過渡區的空間三軸互垂腳手架連接，以及位于隔膜中心區的各向同性吸能交織。該研究將為將為高性能纖維復合結構材料的優化設計與制備提供指導。
此外，運用三維X射線計算機斷層掃描術，研究人員還發現竹節內多向排布的維管束纖維可實現液體輸運交換，證實了維管束纖維結構增強和液體輸運的一體化設計。研究人員仿照這一結構設計了具有良好結構穩定性和蒸發效能的光熱水蒸發裝置。
(資料來源：中國科學技術大學)
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