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顯微CT在竹制植物纖維中的檢測方案

來源:天津三英精密儀器股份有限公司   2021年08月04日 17:38  

概 論

隨著竹編工藝的發(fā)展,各種復雜形狀的竹編工藝品,對竹條的柔韌性和強度都提出了更高的要求。在民間,靠著中國百姓的智慧,自然風干、火烤十幾秒、10%鹽水煮10分鐘等方法,均可提高竹條的柔韌性和強度。近年來,眾多學者也在實驗室通過各種實驗,研究提高竹條柔韌性和強度的有效方法,并取得了重大成果。


研 究 方 法

南京林業(yè)大學的陳紅等人,使用三英精密顯微CT nanoVoxel-3000系列設(shè)備開展了提高竹條柔韌性和強度的實驗研究。采用各種濃度NaOH溶液預處理的方法,將天然毛竹的竹條加工成具有更高拉伸強度的超柔竹條。利用顯微CT技術(shù)對竹條試樣進行了高分辨率的掃描測試,獲得試樣內(nèi)部的纖維分布,指出了竹條內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化,進一步闡明堿處理背后竹條的強度和韌性增強機制。

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主 要 成 果

將顯微CT的掃描結(jié)果經(jīng)過軟件處理得到以下效果圖,可以清楚地觀察裂紋形狀、取向和大小和空間分布。結(jié)果表明:未經(jīng)處理的竹條在輕度彎曲下,表面出現(xiàn)裂紋,裂紋會隨著施加彎曲力的增加而擴展,最終導致竹條斷裂,且裂縫很容易在垂直于纖維軸向的方向上擴展。對于處理過的竹條,盡管在劇烈彎曲下,竹條表面出現(xiàn)了更大的裂紋,但裂紋沿纖維軸向擴展,而不是垂直于軸向擴展。在彎曲作用下,處理過的竹條在裂縫附近有許多剪切帶(綠色箭頭所示),而在未處理的竹條中僅發(fā)現(xiàn)一兩個大裂縫(黃色箭頭所示)。

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竹條彎曲不同位置徑向切片的顯微CT成像結(jié)果

(a) 彎曲竹條的位置,(b) 未處理的外竹,(c) 15% NaOH 處理的外竹,

(d) 未處理的內(nèi)竹,(e) 15% NaOH 處理的內(nèi)竹


同時,處理過和未處理過的竹條孔隙結(jié)構(gòu)也不盡相同。如下圖所示,處理過的外竹條外周的薄壁組織細胞程度高于中間部分,形成密度梯度,且外周的密度高,應力大。與處理過的內(nèi)竹條中相對均勻的結(jié)構(gòu)相比,這種分級結(jié)構(gòu)大大增強了處理過外竹條的抗彎剛度。在相同處理下,外竹條彎曲時比內(nèi)竹條更難斷裂。

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彎曲竹條橫截面的顯微CT成像結(jié)果

 (a) 未處理的外竹,(b) 15% NaOH 處理的外竹,(c) 未處理的內(nèi)竹,(d) 15% NaOH 處理的內(nèi)竹


結(jié) 論

高分辨率顯微CT掃描實現(xiàn)了試樣內(nèi)部纖維狀態(tài)的三維可視化,揭示了不同堿濃度處理過的內(nèi)、外竹條的柔韌性和拉伸性能,是一種研究植物纖維材料在不同堿濃度作用下微觀結(jié)構(gòu)的有效方法,可將高分辨率CT成像技術(shù)應用于類似的科學研究中。


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