高端材料的新研究

2019-09-06 13:49:45 650

一种野生毛竹横截面。围绕心形的黑色开口的纤维(维管束)在外部部分有更密集的分布。


bamboo cross section

最新的发现提出了材料开发中的仿生方法,即中空竹筒的纤维空间分布优化,以加强弯曲刚度。


既牢固又光滑的竹在日本,中国等国家被广泛地作为功能性自然材料使用。竹的中空结构使其变得轻巧,由于木质部分较少其生长速度更快,所以他能比其他植物获取更多的阳光。然而,由于太轻,竹子确实变得容易受到强风的影响,也不能支撑自己的重量。竹子的木质部分用薄而坚韧的纤维(维管束)加强,以克服这个缺陷。每一条纤维都具有和钢铁一样高强度。


柱子横截面的一项分析调查揭露了纤维在木质部分不均匀分配的现象。纤维的密度从内到外表面逐渐变大,即外部基于机械透视学比内部更坚固。这种情况确实很讲得通,因为竹体在弯曲的时候外部比内部往往受到更大的力。


来自北海道大学,熊本县立大学和聚合极致科技有限公司的研究人员通过将从实际竹纤维分布获得的数据与理论上确定的最优值进行比较及材料测试分析,确定了秆中增强纤维分布与秆弯曲刚度之间的关系。


研究人员惊奇地发现,真正的竹子数据几乎显示出与理论上最优的纤维分布相同的纤维分布。 真实纤维分布对应于理论推导的二次形式,用于梯度根分布附近的梯度分布,其中存在纤维数量的增加。 实验数据符合基于靠近茎顶的理论计算的线性分布,其中纤维比根部附近很少。


作为结果,研究人员研究了竹子可以精确地改变纤维的分布,最大限度地提高最小体积的木材材料的抗弯刚度。 因此,本研究中使用的机械理论也可以应用于各种其他中空圆柱体,以确定有助于优化抗弯刚度的梯度分布。


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