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成像表征手段解析竹节空间纤维构造 助力仿生纤维材料研发
2022年10月12日 10:10:19
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：3916
近日，中国科学技术大学研究团队运用多尺度成像和多模态力学性能研究的协同策略，系统分析并明确了竹节的空间多级次纤维组装结构，提出了三种纤维增强结构的设计方案，为今后开展仿生纤维复合结构材料的创制研究提供最优的设计方案。
【化工仪器网 项目成果】近日，中国科学技术大学研究团队运用多尺度成像和多模态力学性能研究的协同策略，系统分析并明确了竹节的空间多级次纤维组装结构，提出了三种纤维增强结构的设计方案，为今后开展仿生纤维复合结构材料的创制研究提供最优的设计方案。相关成果发表于《国家科学评论》。
毛竹具有生长快、重量轻、机械性能强等，不仅是使用历史悠久的传统材料，也是现代材料学研究的重要对象。毛竹的主干可分为竹节和竹间。分段的管状竹间占据了竹子的主体，在机械支持毛竹生长方面发挥着关键作用。竹间的天然单向纤维排布结构具有优良机械性能，使其广泛应用于各个行业。然而，与竹间相比，竹节在工程上的应用似乎很薄弱，因此在加工过程中经常被遗弃。
在毛竹的生长过程中，竹节具有横向流体交换和定点机械加固的功能，对竹子的生存同样有着关键作用。这种多功能的实现与竹节的结构密切相关，然而目前有关竹节的空间纤维构造和构效关系仍然模糊不清。
为研究竹节内部的空间结构，研究团队运用光学显微镜、三维X射线计算机断层扫描及重构技术、扫描电子显微镜和原子力显微镜等表征手段对于竹节空间异质的多级次纤维(维管束)结构排列情况进行成像，识别了它们的空间布局和互通性。在此基础上，研究人员提出了三种纤维增强结构设计方案，包括位于竹节壁的空间纤维保型性紧密互锁，位于竹节壁与隔膜的过渡区的空间三轴互垂脚手架连接，以及位于隔膜中心区的各向同性吸能交织。该研究将为将为高性能纤维复合结构材料的优化设计与制备提供指导。
此外，运用三维X射线计算机断层扫描术，研究人员还发现竹节内多向排布的维管束纤维可实现液体输运交换，证实了维管束纤维结构增强和液体输运的一体化设计。研究人员仿照这一结构设计了具有良好结构稳定性和蒸发效能的光热水蒸发装置。
(资料来源：中国科学技术大学)
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