竹束單板層積材制造工藝及應(yīng)用性能研究.pdf

1、竹材是一種優(yōu)質(zhì)的天然生物質(zhì)梯度復(fù)合材料，具備高強(qiáng)度、高韌性、可持續(xù)發(fā)展等諸多性能與資源優(yōu)勢(shì)。但在材料應(yīng)用方面，尚存在加工出材率低、性能變異較大等不足。因而提高竹材的加工利用效率及其產(chǎn)品穩(wěn)定性，是提高竹基復(fù)合材料附加值的有效途徑之一，也是促進(jìn)竹基復(fù)合材料進(jìn)一步發(fā)展和利用的必然趨勢(shì)。生物質(zhì)材料富含豐富的纖維素，易成為菌類、昆蟲等多種生物體侵害的目標(biāo)，與其它材料形式相比更容易遭受環(huán)境作用的影響，尤其在高溫、高濕、強(qiáng)風(fēng)暴等熱帶地區(qū)的極端環(huán)境下生

2、物質(zhì)材料的性能衰減將表現(xiàn)得更為嚴(yán)重，因而對(duì)竹基復(fù)合材料進(jìn)行多方面的性能評(píng)價(jià)，研究其在熱帶濕熱環(huán)境下的性能演變規(guī)律、損傷機(jī)理和天然抵抗能力，對(duì)于充分認(rèn)識(shí)竹基復(fù)合材料對(duì)環(huán)境作用的響應(yīng)機(jī)制、提升竹基復(fù)合材料的發(fā)展空間、指導(dǎo)并充分發(fā)揮其應(yīng)用性能具有重要的意義。
　　本文以梁山慈竹（Dendrocalamus farinosus）為研究對(duì)象，通過深入研究竹材的材性特征，確立了自主研發(fā)的竹材帚化機(jī)的加工原理和工藝路線，獲得了橫向交織、縱向連續(xù)

3、的平整型竹束單板并以此為原料生產(chǎn)了竹束單板層積材。以高溫、高濕、強(qiáng)風(fēng)暴的熱帶環(huán)境為研究背景，針對(duì)生物質(zhì)材料在熱帶地區(qū)應(yīng)用時(shí)易發(fā)生尺寸穩(wěn)定性變化、性能衰減、蟲蛀侵害等不良現(xiàn)象，較為系統(tǒng)地研究了竹束單板層積材的耐濕熱耦合性能、抗沖擊性能、抗均布載荷性能以及抗白蟻性能及改性工藝，從設(shè)備研發(fā)、工藝評(píng)價(jià)、生物特性與環(huán)境作用的響應(yīng)、機(jī)理分析與模擬等方面闡述了竹束單板層積材的制造工藝與環(huán)境適用性，揭示了竹束單板層積材的濕熱老化特性、吸能機(jī)制和均布載荷

4、作用下的形變特征。
　　本論文的主要研究結(jié)果歸納如下：
　　(1)確立了自主研發(fā)竹材帚化機(jī)的加工原理和帚化工藝，引入光學(xué)影像鑒別技術(shù)對(duì)單板帚化狀態(tài)進(jìn)行快速、定量的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，優(yōu)選出竹束單板并建立了其拉伸性能衰減的預(yù)測(cè)模型，通過對(duì)竹束單板進(jìn)行規(guī)則化的層積復(fù)合，生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定、密度均勻的竹束單板層積材；經(jīng)6次帚化后壓制的竹束單板層積材（1.0 g·cm-3）其彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別達(dá)到245.8、203.0、和21.2

5、MPa，室內(nèi)、外吸水厚度膨脹率分別為4.8％和7.8%，相同密度下的基本性能優(yōu)于傳統(tǒng)重組竹。
　　(2)濕熱環(huán)境對(duì)竹束單板層積材的吸濕行為有明顯影響，應(yīng)用菲克定律和厚度膨脹模型在一定程度上能夠較好地預(yù)測(cè)板材的吸濕特性，厚度膨脹模型的擬合優(yōu)度大于0.88；濕熱耦合作用降低了竹束單板層積材的力學(xué)性能，溫度從21上升至60℃（RH99%），彎曲強(qiáng)度保持率降低至60%，壓縮強(qiáng)度保持率降低至50%。
　　(3)竹束單板層積材的抗沖擊性

6、能受單板質(zhì)量、鋪裝方式、板坯層數(shù)、板材密度等多因素的影響。竹/木復(fù)合重組材和竹束單板層積材的總吸收能分別為105.1 J和66.39 J，二者的破壞模式分別為分層與沿纖維方向的劈裂。竹束單板層積材的吸能機(jī)制以面內(nèi)吸能和面外吸能為主，竹/木復(fù)合重組材(縱橫組坯)的面內(nèi)強(qiáng)度較差，具有一定的分層吸能特性。
　　(4)竹束單板層積材的彎曲撓度（mm）變化隨著密度的增加而降低；將密度作為因數(shù)變量引入撓曲線方程，可在一定程度上預(yù)測(cè)竹束單板層積

7、材的均布載荷中心點(diǎn)撓度隨密度的變化規(guī)律。竹束單板材層積材的均布載荷性能存在支承方向、跨數(shù)及尺寸效應(yīng)。竹材纖維方向與支承方向一致時(shí)容易引起板材背面的拉伸破壞，單跨支承時(shí)的撓度變化隨板材規(guī)格的減小而降低。
　　(5)研究了白蟻對(duì)竹束單板層積材的基本侵害規(guī)律和侵害機(jī)理，認(rèn)為白蟻的侵害具有選擇性，其侵害優(yōu)先級(jí)為：纖維素＞其余成分，低硬度＞高硬度；竹材的薄壁組織首先遭受白蟻攻擊，侵害路徑沿維管束的邊緣順纖維方向延伸，毛竹精刨竹條的失重率為4