精品乱人伦一区二区三区_精品免费_毛片视频网址_国产性一交一乱一伦一色一情_黄色仓库在线观看欧美_一级在线

在運輸、土木工程、建筑、汽車應(yīng)用和航空航天中，現(xiàn)代制造業(yè)迫切需要輕質(zhì)而結(jié)實的結(jié)構(gòu)材料。為了滿足這些需求，科學(xué)家和工程師開發(fā)了一系列具有出色機(jī)械性能的出色材料，例如基于石油產(chǎn)品的材料（例如，碳纖維，碳納米管，和石墨烯），陶瓷以及金屬和合金。然而，大多數(shù)合成的高強(qiáng)度材料需要復(fù)雜且成本高的制造工藝（例如碳纖維），產(chǎn)生不利的環(huán)境影響（例如鋼，合金）或?qū)τ谠S多應(yīng)用而言太重。此外，強(qiáng)度和韌性這兩個關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)特性在結(jié)構(gòu)材料設(shè)計中往往是相互排斥的。

最近，馬里蘭大學(xué)的胡良兵教授團(tuán)隊在《Advanced Materials》上發(fā)表了題為“A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo”的文章，報告了一種簡便且經(jīng)濟(jì)高效的自上而下的方法，以制備具有高達(dá)1 GPa抗拉強(qiáng)度和400 MPa抗彎強(qiáng)度的質(zhì)輕而堅固的塊狀致密竹。他們通過部分除去木質(zhì)素和半纖維素，然后熱壓，使竹致密化。長的取向纖維素微纖絲具有顯著增加的氫鍵，并在致密的竹結(jié)構(gòu)中大大減少了結(jié)構(gòu)缺陷，這有助于其較高的機(jī)械拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度和韌性。致密竹子中木質(zhì)纖維素的低密度導(dǎo)致了比強(qiáng)度達(dá)到777 MPa·cm ³·g^-1，這明顯高于其他報道的竹子材料和大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料（例如，天然聚合物，塑料，鋼和合金）。這項工作表明，利用豐富，快速生長且可持續(xù)的竹子可以大規(guī)模生產(chǎn)輕質(zhì)和結(jié)實的結(jié)構(gòu)材料。

圖1A顯示了自上而下方法的示意圖，該方法通過壓扁、去木質(zhì)和熱壓工藝將天然管狀竹直接轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀致密竹。在化學(xué)處理之前，每輪竹莖用線性切口除去內(nèi)部節(jié)段，用高壓蒸汽軟化，并用臥式壓制機(jī)壓成塊狀竹材。然后對扁平的塊狀竹子進(jìn)行化學(xué)處理，以從木質(zhì)纖維素細(xì)胞壁中部分除去木質(zhì)素和半纖維素，從而導(dǎo)致纖維素纖維的良好排列結(jié)構(gòu)膨脹和軟化。在熱壓時，薄壁組織細(xì)胞和垂直于生長方向的竹細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)腔被完全壓縮，從而形成了一塊致密的竹片，其厚度減少了70％。致密的竹子具有創(chuàng)紀(jì)錄的高達(dá)1 GPa的高抗張強(qiáng)度，超過了各種木材天然材料、工程鋼和高強(qiáng)度金屬合金，甚至是他們報告的最近開發(fā)的超強(qiáng)致密木（圖1B）。 竹子是地球上生長最快的植物之一，其峰值生長速率高達(dá)每天100厘米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于所有木材（通常為每天0.1-0.4厘米）（圖1C）。

竹子具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)。未加工的竹子主要由高剛性的纖維束和較低密度的薄壁組織細(xì)胞組成。SEM成像顯示纖維束高度取向并平行于生長方向，而薄壁組織細(xì)胞平行或垂直于生長方向（圖2A）。纖維束，薄壁組織細(xì)胞和導(dǎo)管通過由木質(zhì)素和半纖維素組成的低強(qiáng)度聚合物基質(zhì)相互粘附。天然竹結(jié)構(gòu)存在明顯的內(nèi)在缺陷，例如沿生長方向的導(dǎo)管，纖維縱壁上的凹坑孔（圖2B）和多孔薄壁組織（圖2C）。他們沿徑向（平行于纖維生長）方向施加機(jī)械壓縮，以將脫木質(zhì)素的竹子壓縮為致密結(jié)構(gòu)，厚度減少約70％（圖2D）。致密的竹子中沒有明顯的凹坑和薄壁組織完全塌陷（圖2E，F(xiàn)）表明層次結(jié)構(gòu)已被完全壓縮。作為這種壓縮結(jié)構(gòu)的結(jié)果，在機(jī)械壓縮過程之后形成的取向纖維之間應(yīng)增強(qiáng)氫鍵結(jié)合，這使得被壓縮的竹子更堅固。化學(xué)處理后去除木質(zhì)素和半纖維素的有效性如圖2G所示。經(jīng)過脫木素處理后，致密的竹樣品主要由纖維素組成，幾乎沒有半纖維素或木質(zhì)素含量。天然竹和致密竹的傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）分析表明，歸屬于半纖維素和木質(zhì)素的竹官能團(tuán)在去木質(zhì)素過程中被部分去除，總重量減少了39.3％（圖2H）。致密竹子的小角度X射線散射（SAXS）圖樣（圖2I）表明剩余的纖維素纖維排列良好，這極大地促進(jìn)了相鄰纖維素分子鏈之間氫鍵和范德華力的形成。完全壓縮的結(jié)構(gòu)還導(dǎo)致密度從0.80增加到1.35 g cm^?3（圖2J）。

他們研究了經(jīng)過脫木素和熱壓處理的竹子的機(jī)械性能。圖3A，D分別顯示了拉伸試驗后的天然和致密竹樣品的照片。竹子的斷裂特性取決于斷裂的起點：基質(zhì)區(qū)域和纖維區(qū)域。與天然竹的脆性斷裂不同，致密化的竹在其斷裂表面顯示出裂開的厚壁組織纖維。致密的竹子由密集的纖維和塌陷的薄壁細(xì)胞壁組成。當(dāng)承受軸向拉伸載荷時，微裂紋在最弱的點開始。隨著載荷的增加，致密竹子中的密集纖維在承載載荷橋接和抑制裂紋擴(kuò)展方面起著重要的作用。相應(yīng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3B所示。天然竹在拉伸破壞前表現(xiàn)出線性變形，拉伸強(qiáng)度為298 MPa。同時，致密的竹子最初表現(xiàn)出線性行為，但是一旦應(yīng)力超過線性極限就變成非線性。另外，獲得了顯著更高的770 MPa的拉伸強(qiáng)度，是天然竹材的258％。致密的竹子的拉伸模量也提高了310％（圖3C）。眾所周知，纖維素纖維在竹樣品的拉伸性能中起決定性作用，因為纖維素纖維的剛度（167.5 GPa）比半纖維素（4.0 GPa）和木質(zhì)素（2.0 GPa）的剛度大40倍。

他們還研究了竹樣品不同部分的拉伸強(qiáng)度。將天然竹子沿徑向從外到內(nèi)分為兩部分，并轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿闹褡印＝?jīng)過脫木素和熱壓處理后，致密竹的密度變得更均勻，因為致密竹的內(nèi)部增加到1.30±0.02 g cm^?3，外部增加到1.37±0.02 g cm^?3，天然竹子外部的抗張強(qiáng)度為361 MPa，而致密的竹子外部表現(xiàn)出創(chuàng)紀(jì)錄的1.05 GPa的高抗張強(qiáng)度，是天然竹子的近三倍（圖3E，F(xiàn)）。質(zhì)輕且致密的外層竹子比其他天然材料（莖，硬木和軟木）和合成聚合物（聚碳酸酯，聚苯乙烯，尼龍6和聚鄰苯二甲酰胺）的拉伸強(qiáng)度更高，甚至比金屬和高強(qiáng)度合金更高（圖3G）。