Влияние изгиба на плотность радиального распределения, MFA и MOE изогнутого бамбука

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8610 (2022) Цитировать эту статью

944 доступа

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Одной из превосходных характеристик бамбука является устойчивость к деформации. Однако причины хорошей устойчивости бамбука к изгибу изучены недостаточно. В этом исследовании мы изучили пути, которые контролируют деформацию изгиба бамбука. Согнутый вручную элемент phyllostachys iridescens был выбран для исследования непрерывного распределения плотности, угла микрофибрилл (MFA) и модуля упругости (MOE) в радиальном направлении с использованием анализа SilviScan. Наши результаты показывают, что в изогнутом бамбуке MFA ниже в образце растяжения и выше в образце сжатия, чем нейтральный образец. Существует сильная линейная положительная корреляция между плотностью и MOE, в то время как отрицательная линейная корреляция между MOE и MFA и отсутствие явной линейной корреляции между MFA и плотностью. Увеличение изгиба в первую очередь повлияло на изменение MOE, а также на изменение распределения плотности и MFA. Наши результаты демонстрируют изменение плотности, распределения MOE и MFA вдоль радиального направления растяжения, нейтральных и сжатых образцов, которые играют важную роль в сохранении характеристик изгиба бамбука.

Гибкие элементы широко используются в таких конструкциях, как здания, мосты, мебель и других областях. Гнущиеся пиломатериалы обычно изготавливаются из прямых пиломатериалов, которые обладают способностью пружинить при изменении исходного состояния. Однако дефекты изгиба, такие как сморщивание1,2, деформация поперечного сечения3,4,5 и изменения толщины стенки6, могут оказать негативное влияние на процесс гибки7, а также на безопасность и срок службы изгибаемых компонентов. В результате тестирование, оценка и анализ дефектов изгиба играют важную роль в применении гнутых элементов.

Несмотря на то, что было проведено большое количество исследований по устранению дефектов при изгибе8, точности изгиба формы9 и кристаллической структуре в области изгиба10, особенно для металлов, в настоящее время сообщается мало исследований о характеристиках изгиба бамбука. Это связано прежде всего с тем, что практическое применение бамбука весьма ограничено. В последнее время проводятся дополнительные исследования по изучению потенциального использования бамбука из-за растущих экологических проблем, связанных с производством стали. Бамбук постепенно стал использоваться в современной архитектуре11, например, в ресторане Roc Von в Ханое, Вьетнам, а также для других предметов первой необходимости12, таких как бамбуковые чашки. Однако гибкие элементы могут в полной мере использовать превосходные свойства бамбука на изгиб; Исследования характеристик изгиба бамбука очень ограничены для поддержки механизации и индустриализации бамбука как гибочного материала. Характеристики упругости материала биомассы считались более универсальными, чем у металла и/или пластика, поскольку полости и гидрофильные гидроксильные группы могут способствовать водопоглощению и способности к расширению13. Хотя на практике бамбук также демонстрирует хорошую форму при изгибе и стабильность, было проведено мало исследований, чтобы определить его полный потенциал замены или дополнения материалов из биомассы. Благодаря полой конструкции бамбуковые трубки имеют лучшую форму изгиба, что обеспечивает большую стабильность, чем цельные стальные. Однако полая структура — не единственный атрибут, влияющий на стабильность. Между бамбуком и сталью существуют большие различия в других характеристиках. Бамбук имеет иерархическую и анизотропную структуру, которая демонстрирует разные характеристики в разных направлениях14,15. Кроме того, бамбук приобретает неравномерные характеристики, поскольку распределение плотности изменяется радиально от внешней оболочки к внутренней16, что еще больше усложняет использование бамбука в качестве гибочного материала по сравнению с металлами.

Бамбук должен стать желательным выбором для изготовления гибких элементов, если будет продвигаться промышленная обработка и крупномасштабное коммерческое применение. Учитывая быстрый рост и низкое потребление энергии, бамбук, вероятно, сможет заменить металлы и другие продукты из биомассы в качестве изгибающего элемента для крупномасштабного коммерческого применения. В этом исследовании мы использовали бамбук, который был согнут методом ручного нагрева на огне, чтобы изучить упругое поведение бамбука в условиях различной влажности. Мы также оценили упругое поведение изогнутого бамбука, исследуя изменения в радиальном распределении плотности, а также угол микрофибрилл (MFA) и модуль упругости (MOE) внутренней, средней и внешней стороны поперечного сечения. Наша главная цель — изучить, как изгиб влияет на бамбук, и предоставить важные рекомендации для реализации индустриализации бамбука.