竹子--天然复合材料

竹子---天然复合材料

李志鹏高分子091 5701109017

竹子

竹为高大、生长迅速的禾草类植物，茎为木质。分布于热带、亚热带至暖温带地区，东亚、东南亚和印度洋及太平洋岛屿上分布最集中，种类也最多。

枝杆挺拔，修长，四季青翠，凌霜傲雨，倍受中国人民喜爱，有“梅兰竹菊

君子之一，“梅松竹”岁寒三友之一等美称。中国古今文人墨客，嗜竹咏竹者众多。

然而，竹子也是一种天然的复合材料，有着优良的力学结构，作为一种天然的材料，即成本低友环保。

竹子的分类：竹的种类很多,合计种、变种、变型、栽培品种计500余种,大多可供庭院观赏，著名品种有：楠竹、凤尾竹、小琴丝竹、佛肚竹、大佛肚竹、寒竹、湘妃竹、冷箭竹、大箭竹、唐竹、泰竹、大泰竹、孝顺竹、粉单竹、牛耳竹、方竹、四川方竹、龙拐竹、车筒竹、青皮竹、粉单竹、短穗竹、黄竹、花秆黄竹、巨龙竹、拐棍竹、光巨竹、阔叶箬竹、水银竹、人面竹、毛竹、花毛竹、花竹、紫竹、斑竹、龟甲竹、淡竹、刚竹、苦竹、金竹、龟纹竹、银链竹、玉边竹、茶秆竹、矢竹、泡竹、罗汉竹、苗子竹、鹅毛竹、刺竹、菲黄竹、华箬竹、墨竹等用途

竹子的化学组成：

综纤维素、多戊糖、木质素、苯醇抽出物。不同类型间综纤维素和木质素平均含

量差异极显著;不同竹龄间综纤维素、木质素和苯醇抽出物平均含量差异极显著。竹茎的化学成分类似于木材，但又有别于木材。竹茎主要由纤维素、半纤维素和木素组成，一般来讲，整竹由50％～70％的全纤维素、30％的戊聚糖和20％～25％的木素组成，竹子的化学成分在不同的属种之间会有一些差别，部分原因是与微管束类型的不同有关。竹茎的基本化学成分也与竹杆高度及部位有密切关系，如竹杆外侧的纤维素明显多于竹杆内侧，而竹杆内侧的木素又明显多于竹杆外

竹子的力学性能优势：

竹子是自然界存在的一种典型的、具有良好力学性能的生物体。它强度高、弹性好、性能稳定 ,而且密度小 (只有0 . 6～1 . 2 g/ cm,)虽然钢材的抗拉强度为竹材的 2 . 5～3 . 0倍 ,但钢材的密度却为竹材的 10倍左右 ,因此 ,按比强度计算 ,竹材的比强度比钢材高3～4倍同时 ,竹子的细长比可达1 /150～1 /250,这是常规结构难以达到的。结构决定力学性能 ,要想认识竹子这些优良的力学性能 ,就很有必要对其微观结构进行分析。

所以竹子不易断

1、竹子截面是环形的，具有较的抗弯刚度

2、竹子的纤维具有较高的抗拉强度和抗压强度（竹子是比较坚硬的），和梁一样外弯面受拉，内弯面受压。

以上两点就是确保竹子在自然状态下，不会弯断的原因。

竹子长细比大，那么他的挠度就大，所以我们可以看到竹子在自然状态下可以有很大的弯曲。当我们人为的施加过大的力时，竹子也会发生破坏（就是通常说的折断），而破坏的时候，观察发现，通常是纵向开裂，内弯面破坏。说明竹子的横向抗拉较纵向纤维的抗拉要低。而且通过观察分析我们还发现，竹子的外层（绿色的那层）纤维的抗拉强度要高于内层（白色的那层）纤维的抗拉强度。

下面说说竹节，竹子是个薄壁筒，且长细比大，竹节可以防止弯曲失稳。

竹节对竹子力学性能的影响

对竹材而言 ,竹节的抗劈强度与横向抗拉强度比其他部分高 ,但是竹节处的抗拉、抗弯和抗压强度都有所下降。由于竹节处的几何形状不同于节间 ,外部的环箍与内部的横隔板增加

了承载面积。实验表明 ,在受外力时 ,竹子并不首先在竹节处破坏 ,所以从结构的角度上来说 ,竹节增强了竹材整体的强度。同时 ,竹节可使竹筒的横向承载能力提高 3倍,因此 ,竹节可提高竹子整体结构的强度及稳定性。

复合结构：为优良的天然的复合材料，有着好的力学结构。竹材作为

天然的复合村料，有着复合结构。在轴向上，竹子纤维方向与生长方向一致，维管束散生在基本组织(薄壁细胞)中，维管束是竹材的增强材料，薄壁细胞是竹材的基体材料，维管柬对竹材的力学性能具有重要的影响。在径向上，竹材由竹青，竹肉和竹黄复合而成的三层结构，这种结构具有从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，使竹材表现出具有明显组织梯度与性能梯度的梯度复合材料性能。在竹青，竹肉和竹黄3个层面上，通过极少轴向薄壁组织和节部纵横交错维管束来，犹如二维织物增强复合材料层合扳层间引入纤维一样，提高竹材层间强度和层间劈裂韧性。

从微观水平分析，竹材的细胞壁主要由木素、纤维素和半纤维素组成，在结构上分为胞间层、初生壁、次生壁，犹如一个多元件组成的体系，每一个层次上三种化学组成成分和排列方式均有所不忙寸。作为细胞壁骨架的微纤丝是由高度定向的纤维素组合而成，包含少量半纤维素和木质素。整个微纤丝体系是一个刚性纤维素分子链的组台体，犹如复合材料增强体纤维，在这种复合结构中，细胞壁各层内微纤丝的取向对于竹材性质有着重要影响。在复台材料中，纤维由体树脂结合在一起，而竹材则由木素结合在一起。木素为憎水的酚类物质，将碳水化合物包围并形成壳体，有助于细胞壁内各微观成分的结合，使竹材在吸湿后仍能保留强度和刚性；另外木素也提供一定的刚度和强度。如同微纤丝缠绕的纤维产品，竹材的每一种组分部与其它组分协调，在构成总的物理力学性质时，各组分的综合性能优于它们各自的单独性能。

从分子水平观察，纤维素是细胞壁骨架物质，而半纤维素、木素则是纤维索间的“填充剂”和“粘结剂”。这三种组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排列的相互间断的同心胞层，三种组分的性能对竹材的强度力学性能具有巨大的影响。纤维素为无分枝的刚性链，内部的氢键结构给纤维素的分子提供了刚度，吡喃环内以及各基团之间的共价键结合使纤维素具有特别高的抗拉强度。因此。纤维素聚合度越高，分子链越长，分子间结合力就越大，纤维强度越强，竹材的强度越大。半纤维素是线状带有支链的高分子化合物，比纤维素聚合度低，半纤维素能在分子之间或与纤维素分子之间形成氢键和缠绕结构。术素是本材主体最复杂的聚合物，到日前为止尚未完全了解，据研究半纤维素与木素之问有化学键结合，在纤维素和半纤维素之间充当接触物质。组织结构和化学组成差异直接导致了竹材性质与木材性质的差异，从上述的分析来看，竹材的力学特征表现出强烈的复合材料力学特征；因此本研究试图通过从复合材料细观力学角度来研究竹材力学性能

作为这么优异的天然复合材料，节能又环保用途是相当广泛：

在传统的方面；在农业方面，竹子的利用更为普遍。竹子可编制各种农具，如箩筛、簸箕、扫帚、晒垫等。将竹子的竹节打通当作水管，供农田灌溉和引水之用。四川自贡盐区用竹管输送盐卤，费用低廉，经久耐用。大竹秆削去竹青，扎成竹筏，吃水浅，浮力大，至今仍是我国南方内河上游传统的交通工具。

在水利工程上，劈竹成篾，编成石笼，内装石块，围在岸边用来防止河岸冲刷，巩固堤坝，修建水库，在都江堰等全国著名水利工程上被广泛使用。在渔业生产中，竹子也广为利用，从简单渔具到复杂的器具，水产养殖的固定支架和漂浮物均要用竹子制成，渔船的网架、桅杆、船篷、船篱也都离不开竹子。

在建筑方面：

竹地板

随着森林资源的不断减少，竹子作为一种可以在较短期间内再生的资源在日常生活中得以广泛应用，其中在家庭装修方面也被尝试用于制作地板。竹地板一般用速生杂木作为基层，面层用竹子，都锯成小块黏合而成。

作为复合材料，在新型的领域：

利用竹子用复合材料制造船舶，在我国造船史上尚无先例。竹船已在青岛诞生。该竹船经山东青岛船检处鉴定许可生产。该材料可用于制造捕捞、养殖、垂钓船和游艇。竹船的特点是：强度高、船体轻、载货多、省燃料，建造成本与木质船相等。便不需象木船那样每年上岸维修，因浮力大，奔流生性能很好。根据农业部于９６年２月２６日发出通知，把我国３９．７万条木质渔船，计划用１０年时间改造７０％。如果用竹子复合材料造船，可为国家节省６００万立方米木材。竹船的表面和玻璃钢船一样。因一船不仅可以替代木质船，而且也完全可

以替代造价昂贵的玻璃钢船。此材料也可用来制造输油管道，其性能比铁管抗腐能力强好倍，是制造油管的理想材料。我国江河湖海沿岸及南方水网地区用船很多。我国又是产竹大国，市场广阔。

竹材还被人们巧的用于现代大型高层建筑，和高荷载的桥梁建设。如昆明市建筑设计院和昆明建筑公司曾设计了油竹材建成的大型竹楼，并于1984年在瑞士苏黎世举行的"自然奇观"展览会上展出，为各方面所注目。1985年又重建在荷兰鹿特丹，该楼高22.5m，分为五层，慰为壮观，是我国传统竹工艺的处理手法和现代设计技术相结合的产物。1988年．他们又在德国巴登符腾堡州第九届花园博览会上用竹子建造了一座高7.7m，全长55m的两跨竹桥．再一次引起轰动，被称为"欧洲第一竹桥"。2007年，由湖南大学土木工程学院研究建成的耒阳的浔江河上在竹桥正式通车，成为世界第一座可行车竹桥。让‘全国生物质材料，环保型人造板新技术墩

竹子另一种取材自然的笔记本材质最近十分盛行——竹子。华硕和富士通都推出或即将退出全新竹子外壳的笔记本，这种材质自然轻便，外观个性突出。而且这种材质十分环保，通过热弯曲使它的外观可以尽量贴合各种不同品牌的笔记本外壳。

竹子也能做衣服吗？是的，只要有纤维，就可以做成织物；

竹子这么硬它是怎么变成布的？先从竹子中提取纤维……

原始的竹子布是绿色还是白色？应该是黄灰色的，那是植物纤维本来的颜色。是有弹性还是硬的？

应该是有弹性的，因为植物纤维本身有弹性，而且织物间有空隙。变成衣服的竹子是什么样的？

竹子生长快，成材早，一次栽植成功就永续利用，而且竹子枝叶茂盛，根系发达，竹鞭纵横交结，具有调节气候，涵养水源，保持水土，固土防冲，防风减灾等良好功能，对维持生态平衡，保护人类生存环境起到很好的作用。