原竹多尺度力学性能及其在设计中的应用

吴 静 方 海 钟 畅

(广东工业大学艺术与设计学院广州510030)

自然界生物体遵循达尔文的 “物竞天择”所形成的结构及其性能，由此给予了人们在研究材料方面的巨大启迪。陈斌等[1]认为，组成生物复合材料的原始材料 (成分)的力学性质可能并不好，但这些材料通过优良的复合与构造，就会形成具有很高强度、刚度以及韧性的生物复合材料。竹子作为一种天然复合材料完美诠释了这一点，经过漫长历史的选择优化，竹子具备了最适宜其生存环境和最充分发挥其复杂功能的从宏观到微观的分级结构，而不同的分级结构会有不同的力学特性和增韧机制。目前，人们对于天然竹子的认识仅限于一些常规性质，还缺乏基于竹子受载荷后内部微细观结构的变化及其作用机理的更加系统化的研究。本文分析了原竹的分级结构及其多尺度的力学性能，通过典型设计案例阐述原竹多尺度力学性能在产品设计中的应用潜力，以期为设计师将材料与设计更加有效地结合提供思路。

1 原竹的分级结构

原竹作为一种天然生物材料，为适应外界环境和自身生理活动的需求会通过 “自下而上”的自组装形式，形成从宏观到微观不同尺度的分级结构，这种分级结构对原竹的受力行为表现出惊人的增韧、增强效果[2-3]。图1显示了原竹从宏观尺度到纳米尺度的多级复合材料结构。

图1 原竹分级结构示意图——从宏观尺度到纳米尺度

从生物学角度讲，竹子从宏观到微观特定的内部构造和组成关联技巧是用来强化其对于生存环境的适应。在米 (m)尺度，竹筒的外部形态表现为空心圆截面状和阶梯变截面杆状结构[4]，这种横向增强的中空筒状结构，一方面使其能够更好地承受风或雪而引起的弯曲折断或者劈裂，另一方面能实现以最少材料获得最优力学性能的目标。曾其蕴等[5]研究表明，竹节的竹壁厚度总是大于其相邻节间的竹壁厚度，表现为横向增强结构。在米 (m)尺度，竹节是一个力学点，起力学加强键作用，能有效提高竹子整体的横向抗挤压与抗剪能力。Ray等[6]研究表明，原竹中竹青和竹黄的性能存在较大差异，具体表现为功能梯度复合材料结构。在厘米(cm)尺度，原竹不仅在维管束的数量上而且在质量上都表现为从竹青到竹黄呈递减趋势，这是为了将材料集中于应力大的外部，以保持坚韧的外皮层，避免外界环境对其表面损伤。在毫米 (mm)尺度，竹筒中的节间细胞呈轴向排列，细胞壁亚层之间通过层级复合形成薄壁多层结构，薄壁组织细胞壁与细胞壁之间以一种弱化但非常有效的方式粘合在一起形成弱化的界面，这种界面可以增加竹子的柔软性，使得竹秆在遭受动物撕咬和刀伤后依然保持很高的抗横断能力。

竹子的解剖构造通常指竹壁的构造。竹壁主要由表层系统、基本系统和维管束系统组成。组成维管束的厚壁细胞竹纤维是决定竹子力学性能的主要成分，而以基本组织为主的薄壁细胞主要在维管束之间起着传递载荷和缓冲作用[7]。在mm尺度，原竹表现为以竹纤维束为增强体、薄壁组织为基质体的两相复合材料结构；在受到外界挤压力作用时，薄壁细胞的细胞壁会产生屈曲，并且通过胞体内的水所产生的静水压力来强化其本身的抗压能力。在微米 (μm)尺度，竹纤维通过胞间层的各种非纤维素成分粘合与疏导组织一起形成维管束，表现为“海岛结构”的两相复合材料结构，纤维素作为分散相在疏导组织中形成了海岛结构，两相相容性较好，并且形成了明显的界面作用区，这种界面作用区对于竹子拉伸强度、拉断伸长率有增强作用。李世红等[8]研究表明，竹子的宏观结构符合材料力学中的等强度设计原理。竹筒中维管束的体积分数分布与其承受各种力学性能的变化趋势具有一致性，一般表现为维管束数量多的部位抗压能力强；而且竹壁的外部力学性能大于内部。在竹筒的横截面中，木质部分的纤维分布不均匀，纤维的密度从内向外逐渐增大，呈偏分布状态，这也是竹子能承受较强的侧推力作用的原因[9]。在亚微米 (subμm)尺度，细胞壁亚层之间通过层级复合形成多壁层的竹纤维和薄壁组织细胞壁，表现为层板纳米复合材料结构。林东洋等[10]研究表明，在天然竹子中，竹青的高强度、高韧性是由竹纤维优越的结构所决定。在竹纤维中包含了多层厚薄相同的层，在每一个层级中微纤丝以不同的角度分布，这些微纤丝的角度与取向对于细胞壁的刚性和韧性具有决定性意义。

无论是基于生物学特性还是解剖构造，都可以追寻到天然竹子为了适应生存环境而通过不同界面的精巧分级结构来获得更好的增韧机制。Gordon等[11]认为，木材会采用纤维与纤维之间、早材与晚材之间的分级界面来实现增韧机制。对于复合材料而言，复合材料的性能与其组分材料之间所形成的弱化的界面与界面之间的特性有密切关系。因此在研究竹子这种复合材料时，应当同时考虑多个尺度，建立从宏观到微观的各级结构间的等量关系，以获得更加丰富的组分与层级，来进一步把握其内在性能。目前，对于原竹分级结构的应用主要集中于竹材的分级重组，孙正军[12]利用竹子的分级结构所产生的不同力学行为，将竹材分成不同级别的竹材组坯，以此来获得更加稳定的产品性能，而利用竹子的分级结构来指导设计还缺乏比较系统化的研究。

2 原竹多尺度力学特性及增韧机制

多尺度力学是指利用多尺度分析法，综合协同地考虑复合材料在宏观、细观、微观等不同尺度的结构特性，通过建立复合材料各尺度结构之间的定量关系，来揭示复合材料不同尺度间的内在增韧机制。竹子是一种典型的非均质多相复合材料，同时具有组分非均质性和空间连续性特点，在不同尺度上具有不同的特性。

2.1 多尺度拉伸力学特性

目前对于原竹多尺度拉伸力学特性的研究，主要集中于自上而下的研究方式，即基于原竹在宏观尺度下的拉伸力学特性，然后通过复合材料混合定律来计算推演出它的微观物理场。

在宏观尺度，于文吉等[13]研究表明，天然竹筒在径向上主要是由竹青、竹肉和竹黄复合而成的3个层面结构，在这3个层面上维管束平行而整齐地沿轴向排列，从外层到内层由密到稀疏，并且在层面之间会通过少数轴向的薄壁组织和节部纵横交错的维管束来加固；当受拉伸力作用时，从外到内弹性系数呈递减趋势，表现为在竹青部分的力学性能大于竹黄部分。天然竹筒从竹青到竹黄的层面分级是一种层板复合结构，这种结构可以增加竹子的层间拉伸强度。刘焕荣[14]对从竹青到竹黄的分层竹片拉伸力学进行测试，结果也表现出从竹青到竹黄宏观拉伸力学会随着纤维含量的降低而降低的变化规律，呈现出明显的梯度力学性能。

在组织尺度，邵卓平[15]研究表明，竹子的高强、高韧特性与其完美的组织结构密切相关，并且通过细观力学方法测试了天然竹子受弯曲力所产生的基本组织开裂、界面分层、竹纤维断裂、竹纤维抽拔这4种损伤模式所产生的能量吸收机制，发现不同的组织结构在拉伸过程中会因为不同的能量吸收消耗而产生不同的增韧机制。

在细胞尺度，竹纤维细胞壁厚，细胞腔小，微纤丝角与纤维长轴几乎平行排列，这种结构使得竹子在受到拉伸力作用时，纤维承载能力增强[16]。研究显示[17-18]，在木、麻、竹等不同的纤维纵向拉伸力测试中，竹纤维的拉伸强度和模量都最大，这与竹纤维的排列顺序密切相关。Huang等[19]研究发现，4～6.5年生的毛竹其单根竹纤维的弹性模量和拉伸强度均大于1.2 Gpa。按照竹纤维在原竹体积中所占的百分比用复合材料混合定律进行计算，竹纤维的平均拉伸强度应该远远大于所测试出的拉伸强度。因此，在原竹的分级结构中可能会存在不同级别的界面影响竹子的增韧机制，或者也可以说原竹的分级结构所带来的多尺度增韧机制在一定程度上是以牺牲原竹某些方面的强度因素为代价。

2.2 多尺度断裂特性

断裂是指物体在受外力作用下产生裂纹乃至失效的模式，不同材料会有不同的断裂失效模式，材料的断裂失效与其本身结构密切相关[20]。天然竹筒中空、壁薄、竹节离散分布，无论是裂纹扩展还是断裂时应力变化都比较复杂。目前国内外对于原竹断裂韧性的测试方法还没有具体的标准，研究方向主要是从裂纹顶端应力场分布、破坏过程和断面特征3个方面展开研究。

在宏观水平，研究表明[21]，竹子纤维含量的梯度分布与竹子的断裂韧性具有相关性，具体表现为不同纤维含量的部位其拉伸断裂方式不同，竹青部位表现为沿界面壁裂开，竹肉部分表现为台阶式破坏，在竹黄部位则断面齐整。冼杏娟等[22]研究显示，竹子的竹青、竹肉和竹黄部位的断裂韧性分别为 9.636 Mpa.m1/2、 6.533 Mpa.m1/2和 4.361 Mpa.m1/2，呈现梯度递减的变化趋势，表明在竹壁中纤维含量越高断裂韧性越高。

在组织水平，原竹在拉伸状态下裂纹的拓展会出现维管束与薄壁组织之间的分层，在拉伸过程中裂纹沿界面扩展并且伴随着大量的能量消耗，扩展速度会减缓趋向平稳，说明维管束对裂纹扩展具有阻碍作用，维管束分布密度越高对裂纹的阻隔能力越强[23-24]。

在细胞水平，竹子断裂过程会出现纤维与纤维之间的分层、薄壁组织之间的分层。邵卓平等[15]研究表明，竹子的顺纹断裂和横纹断裂差异性较大，对比竹纤维在纵向的轴向排列，竹纤维的横向分布不均匀，因此竹子的断裂失效多为横向断裂，且在断裂过程中裂缝沿纤维界面方向扩展并具有各向异性。

在亚细胞水平，纤维和薄壁组织细胞壁内壁层之间形成分层，纤维细胞由多个不同层次交替构成，各层之间又形成不同的微纤丝角度。在断裂过程中，裂纹扩展沿壁层与壁层界面展开，界面之间又会形成新的层面来消耗能量阻挡裂纹扩展。

2.3 多尺度增韧机制

从上述分析可知，原竹的分级结构主要是通过界面与界面之间的层级关系、纤维含量的梯度变化、纤维细胞壁的层级结构以及微纤丝的排列方式来获得不同的增韧机制。具体体现在以下3个方面：

1)原竹从宏观到微观不同尺度间存在多层级的弱界面，这些界面在一定程度上会削弱竹纤维的平均拉伸强度，但是在不同尺度间界面可以通过形成新的层级有效阻碍裂纹扩展，增加断裂消耗功从而显著增强竹子韧性。

2)原竹从竹青到竹黄纤维含量的梯度变化结构，形成了竹筒轻质、高韧及优越的侧推力性能。

3)在原竹的纤维细胞中包含多个厚薄相同的层级，每个层级中的微纤丝以不同升角分布，在不同界面微纤丝角的变化可以加强界面之间结合以及避免几何物理的突变。

当然这些只是原竹多尺度增韧机制中的一部分，对于原竹多尺度力学所对应的增韧机制还需要更加深入的研究。研究竹材的增韧机制有助于认识材料组成构造与强韧功能之间的关系，也有助于人们在进行设计选材和人工材料设计时获得新的启发点。

3 原竹多尺度力学特性在产品设计中的体现

近年来，随着绿色设计理念的普及，天然竹材作为一种性能优异、绿色、环保的可持续材料越来越受到众多设计师的青睐。在一些经典的竹产品设计中均体现了原竹的多尺度力学特性。

图2为台湾的一家设计公司 “Yii品牌”设计的一张竹椅 《WAVE》。作品将总长超过4 m的整竹进行多次烤弯，形成连续多变的曲线，从而构成椅子整体造型与结构。作品的多次弯曲造型正是基于原竹多尺度力学特性，因为在竹材中维管束平行而整齐地沿长轴方向排列生长，通过竹节时形成分界点，呈纵横交错的走向，这使得原竹在力学性能上的各向异性；加之原竹的分级结构，层级与层级间生物结构和含水率各不相同，受热和蒸发水的速度各不相同，当竹子的一侧被火烤加热时，作为承力基本单元的竹纤维细胞，细胞内的水温升高，细胞壁变软，该侧的植物纤维被高温软化，外层竹纤维受拉力，内层竹片受压力，这样就实现了弯曲。维管束是竹纤维通过胞间层的各种非纤维素成分粘合形成，竹纤维中包含了很多厚薄相同的层，在每个层级中微纤丝以不同的角度与取向分布，保证了原竹弯曲后的高强度与高韧性。弯曲的过程伴随着竹纤维细胞壁内静水压力的屈曲，所以在进行火烤弯曲时需要有意识地先进行浸水处理。

图2 台湾 “Yii品牌”公司设计的竹椅作品 《WAVE》

图3是日本竹家具设计团队TEORI设计的竹衣架。竹衣架以最简单的几何构造，将原竹强大的抗拉能力与抗压能力与衣架的基本造型功能相结合，原竹长细比大，挠度也大，且截面是环形的，像梁一样外弯面受拉，内弯面受压，表现为超强的抗弯能力。加上竹节处的内部横隔板，既可以增加承载面积又可以提高横向承载能力。

图3 日本TEORI设计团队设计的竹衣架

图4是台湾Grass Studio设计工作室设计的竹凳。作品设计利用了原竹强大的侧推力，在天然竹材中竹纤维分布呈功能梯度分布，表现为从内到外纤维密度逐渐增大的偏分布状态。竹凳选取原竹中纤维分布密集的竹青部分，利用侧推应力形成坐面着力点。通过几条流畅穿插的线条，展现了原竹纤维与力学之美。

图4 台湾Grass Studio设计工作室设计的竹凳

以上3个典型作品案例都有意或无意地将原竹的多尺度性能与产品的造型与功能相结合，体现了对材料性能的了解。给予人们的启示：一方面应合理发挥材料的最大性能来进行工艺制作，以规避材料的缺陷，到达最适宜的设计；另一方面在思考材料与设计的适应性时，设计的发展也会促进材料的创新与变化。

4 小结

对于设计师而言，每一种材料都有其特定的优异性，如果能够结合材料的特性，设计将会变得更有价值。从3个成功的设计案例可以看出，原竹的多尺度力学性能在设计中具有广泛的应用潜力。同时，启迪设计师在进行设计时，要针对产品内、外部因素，做到在设计选材、用材以及设计工艺上与材料特性相结合，使材料特性转为产品的应用功能。