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1、复 合 材 料 学 报第24卷 第3期 6月 2007年Acta Materiae C ompositae SinicaVol124No13June2007文章编号:1000 3851(2007)03 0089 05收稿日期:2006 07 11;收修改稿日期:2006 10 11基金项目:国家自然科学基金资助项目(20474070)通讯作者:潘则林,副研究员,研究方向为天然高分子材料 E2mail:panzl 天然高分子泡沫材料的复合结构与力学性能尹作栋1,2,潘则林32,王 才2,董宇平1,欧育湘1(11 北京理工大学 材料科学与工程学院,北京100081;21 北京分子科学国家实验室,中
2、国科学院 化学研究所新材料实验室,北京100080)摘 要:通过扫描电子显微镜和光学显微镜研究了2种天然高分子泡沫材料,即玉米秆芯和高粱秆芯切面的泡孔形态结构及胞体堆砌模式。测试了材料在轴向和径向的压缩杨氏模量和压缩屈服强度等力学性能,探讨了泡沫材料的压缩变形机制,建立了天然泡沫材料的复合结构模型,并分析了力学性能与复合结构的关系。研究结果表明,这2种天然泡沫均由一种近似六棱柱和少量圆形管状胞体构成,它们在轴向的杨氏模量和屈服强度分别比径向的大4倍以上。导管增强的复合结构是引起天然泡沫材料具有明显各向异性的重要原因,其中厚壁导管的轴向杨氏模量约为不规则六棱柱胞体的105倍。关键词:天然高分子;
3、泡沫材料;复合结构;力学性能中图分类号:TB332 文献标识码:ACompound structure and mechanical properties ofthe natural polymeric cellular materialsYIN Zuodong1,2,PAN Zelin32,WANG Cai2,DONG Yuping1,OU Yuxiang1(11School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;21Beijing National
4、Laboratory for Molecular Sciences(BNLMS),New Materials Laboratory,Institute ofChemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China)Abstract:The compressive yield stress and modulus of the two natural foam cores of kaoliang stem and corn stemwere tested.Their structures and morphologies were de
5、termined by scanning electron microscope.The differentcompressive deformation mechanics of the foams were discussed.A compound structure model made up of hexangu2lar prisms and tubular cells was established from the observation on scanning electron microscope photographs.Theeffects of the compound s
6、tructure of the foams on their mechanical properties were studied on the basis of the model.The results show that the compressive yield stress and modulus of the two natural foam cores in the axial directionare more than 4 times of those in the radial direction.The compound structure of the foams re
7、inforced by the tubularcells has more significant effects on the corresponding mechanical properties of the foams.The axial compressivemodulus of a tubular cell is 105 times that of an abnormal hexangular prism cell.Keywords:natural polymer;foam materials;compound structure;mechanical properties高分子泡
8、沫材料的独特性能,使其广泛应用于生物医学、缓冲包装、隔音隔热及建筑工程等领域123,也使得发泡材料的研究近年来发展较快。尤其是以天然高分子如淀粉、纤维素等为原料制造出性能优良且可降解的泡沫材料的研究,正日益受到人们的关注。许多植物类材料是重要的天然泡沫材料,它们与合成高分子泡沫材料相比具有更规整的结构。这种有序的结构使天然高分子泡沫材料具有许多独特的力学性能,比如木材,它的轴向杨氏模量通常是径向的10倍以上4。因此,研究天然泡沫材料的结构与性能尤其重要。关于植物类泡沫材料的研究,Gibson作了较为详细的总结5,主要集中在木材等厚壁细胞的二维类蜂窝结构与力学性能的关系上。有一类由薄壁 1994
9、-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/细胞构成的天然泡沫体,如高粱秆芯和玉米秆芯,与木材相比,它们不仅密度较低,一般在0.05011 g/cm3之间,而且具有独特的形态结构,并表现出明显的各向异性。国内研究者的研究工作多集中在对这类禾谷植物茎秆的外围形态与结构特征6,以及茎秆细胞壁的化学组成与茎秆抗倒伏强度关系的研究7等方面;对泡沫芯的结构和力学性能的关系研究较少。本文中以高梁秆芯和玉米秆芯为研究对象,通过扫描电子显微镜(SEM)的观察,揭示这类低密度泡沫材料的形态结
10、构;并通过测试压缩性能,进一步研究其结构对变形机制和力学性能的影响。研究结果为天然高分子泡沫材料的研究和应用提供了一些数据基础。1 实验方法图12种天然泡沫样品的扫描电镜照片Fig.1SEM photographs of two natural foam samples玉米秆和高粱秆选自北京地区。待其自然干燥后,截成1.5 cm的小段,除去坚硬外壳,然后用刀片将秆芯泡沫切成长宽各5 mm,厚度约1 mm的薄片,用光学显微镜和S24300F型场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)观察泡沫形态结构。运用图像分析软件取得胞体几何参数的具体数据。参照ISO 845-1977标准测定天然泡沫的表观密度。用
11、Instron 3365型万能实验机测试其压缩性能,测试条件为温度23,湿度50%,横梁速度510000 mm/min,满程载荷范围5.0000 kN。样品的制作方法是将干燥、去皮的玉米秆芯或高粱秆芯泡沫体切成边长为10 mm的立方体,每个样品的表面都在细砂纸上磨光。所有数据为5个样品的平均结果。2 结果与讨论2.1 天然泡沫的形态结构通过光学显微镜观察,发现玉米秆芯和高粱秆芯横截面和纵截面的泡孔形状非常独特,且不同位置的纵截面,包括径切面和弦切面,它们的形态结构是类似的。进一步采用扫描电镜观察玉米秆芯和高粱秆芯横切面以及径切面,如图1所示。对比可09复 合 材 料 学 报 1994-2008
12、 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/知,这2种天然泡沫的形态结构是基本相同的,概括起来具有以下特点:(1)横截面上的泡孔形状均为近似六边形,而纵截面上的泡孔形状为近似矩形,上下底边不仅平行且垂直于轴向,相邻两六边形的面不在同一平面上。由此可以推断胞体的形状为一种闭孔的近似六棱柱。胞体在纵向的排列方式是沿轴向重叠成列,列与列之间互为交错(见示意图2)。(2)在泡沫中,除了六棱柱胞体外还分布有一定数量沿轴向排列的近似圆形的厚壁导管。导管的周围,从内到外,分布着直径由小到大的六棱柱
13、胞体。胞体在横向的排列方式是局部区域表现为以导管为中心的发散状有序排列,而整体呈无规则分布。这种由六棱柱胞体和定向排列的厚壁导管构成的复合结构正是这类天然泡沫所具有的结构特点。它对材料的力学性能将产生重要的影响。图22种天然泡沫的胞体形状,六棱柱和部分结构示意图Fig.2Sketch map of the cell shape of two naturalfoams,hexangular prism and partial structure图32种样品在轴向和径向的压缩应力 应变曲线Fig.3Compressive stress2strain curves of two natural fo
14、am samples in the axial and radial directions212 天然泡沫的压缩变形机制研究发现这类天然泡沫在受到不同方向载荷时,其压缩过程的变形机制是不同的。图3是高粱秆芯和玉米秆芯的压缩应力 应变曲线。可以看到,其轴向和径向压缩应力 应变曲线既有相似之处又有明显的差异。相似之处是它们都表现出3个区域特征,即线性弹性区、具有较大应变的应力平台区、以及稠密区;而不同点是轴向压缩应力 应变曲线不仅有明显的屈服点,而且在塑性区呈锯齿状变化,而径向不仅没有明显的屈服点,且整个变化过程是一条平滑的曲线。其原因在于压缩变形机制的不同。径向压缩时,胞壁与载荷的方向形成一定的
15、夹角(见示意图2中的角),胞壁首先发生弹性弯曲变形,然后胞体逐渐屈服塌陷。但胞体的塌陷是不一致的,最先始于导管之间的中间部分。原因是胞体以导管为中心向四周呈发散形分布,并且越靠近导管,胞体体积越小,结构也越致密,压缩使之变形则需要更大的载荷力。故径向压缩时的屈服形变首先发生在胞体体积较大、相对承受载荷能力较弱的导管之间的胞体处(图4(a),然后逐渐向两侧“繁殖”。在整过压缩过程中胞壁发生弯曲,很少有胞壁的破裂。因此,压缩应力 应变曲线表现出不仅平滑而且有一个大的应变平台的变化特点。这种变化特点将有利于泡沫材料在保持恒定应力的前提下还能吸收大量能量,决定这类泡沫可作为良好的缓冲材料。轴向压缩时,
16、由于胞壁与载荷的方向平行,其压缩变形机制与径向完全不同。六棱柱和管状胞体19尹作栋,等:天然高分子泡沫材料的复合结构与力学性能 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图4 经不同方向压缩的玉米秆芯泡沫样品的扫描电镜照片Fig.4SEM of the compressed samples of the core of corn stem in different directions经胞壁的弹性压缩后,通过皱折和破裂而塌陷。这种破裂常常发生在层与层之间以及六棱柱
17、胞体和管状胞体之间的连接处,导致应力急速下降,直到被第2层胞体所阻止。然后应力增加,至第2层胞体开始塌陷,应力再次下降。如此经压缩接触面由外向内逐渐重复进行(图4(b),表现出锯齿状压缩应力 应变曲线的特点。由此可见,胞体的形态结构决定不同方向加载时的压缩变形机制,而变形机制不同将引起泡沫材料性能的差异。213 天然泡沫的力学性能2种天然泡沫的形态结构分析表明,胞体在轴向的重复排列以及在横向的无规则分布,决定其力学性能具有二维结构的特性。表1列出了这2种泡沫在轴向和径向的压缩杨氏模量和压缩屈服强度的测试数据。从表1可知,在表观密度相同或相近的情况下,高粱秆芯样品的轴向压缩屈服强度和压缩杨氏模量
18、均是径向的4倍左右;玉米秆芯样品的轴向压缩屈服强度是径向的4倍以上,其压缩杨氏模量是径向的7倍以上;而且随泡沫相对密度的减小,其倍数关系呈增大的趋势。充分表明这类泡沫的轴向压缩杨氏模量和压缩强度远大于径向。2.4 天然泡沫的复合结构模型与理论分析分析认为引起这类泡沫具有明显各向异性的根本原因在于导管增强的复合结构。模型和理论分析如下:(1)对于泡沫材料,其压缩杨氏模量(E3)与固体材料杨氏模量(Es)和泡沫相对密度(3/s)之间表1 部分高粱秆、玉米秆芯泡沫的压缩性能Table 1Compressive properties of partial samplesof cores of kaol
19、iang stem and corn stemDirectionFoam density/(gcm-3)Modulus/MPaYield strength/MPaAxial(K)0.037045.91.32Radial(K)0.037010.70.292Axial(K)0.038851.91.20Radial(K)0.039313.50.318Axial(C)0.035649.50.899Radial(C)0.03544.150.180Axial(C)0.092365.61.78Radial(C)0.1098.520.384Note:K represents the cores of kaol
20、iang stem;C represents thecores of corn stem存在如下关系8,9:E3Es(3/s)m(1)对于这种由六棱柱和管状胞体构成的泡体结构,当承受轴向载荷时,胞壁发生压缩变形,因此其轴向刚度较大,导致其轴向杨氏模量随3/s而变化,即m=1。而径向载荷使胞壁发生弯曲变形,所以径向刚度相对较低,致使其径向压缩杨氏模量随(3/s)2而变化,即m通常为2。这种压缩变形机制的转变使材料的压缩杨氏模量随相对密度以指数方式变化。由于相对密度小于1,结果随指数m的减小,其压缩杨氏模量反而成倍增加,显然这种增加的趋势将随密度的减小而增大。29复 合 材 料 学 报 1994-
21、2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(2)对于一个圆形管状胞体,当承受轴向载荷时,胞壁在线弹性区将发生压缩变形,因此,其轴向杨氏模量E31可按胞壁固体材料的轴向压缩过程来确定。我们很容易导出管状胞体的E31与其壁厚t1、半径r1以及表观密度31之间的关系式:E31/Es2t1/r1=31/s(2)这个方程自然也适用于规则六棱柱胞体构成的蜂窝结构。但在实际的泡沫结构中,六棱柱胞体的矩形壁面并不规则,在壁的中间或两头大都呈现局部弯曲,类似波纹。当胞体受压变形时胞壁较易发生
22、折叠,这将大幅降低六棱柱胞体的轴向刚度。对于壁厚为t2,波纹振幅为a的胞壁,根据Gibson10等人的理论推导,胞体轴向杨氏模量E32与t2、a及3/s有以下关系:E32Es=01732s1+6(a/t2)2-1(3)把式(2)除以式(3)可得E31E32=11431321+6(a/t2)2(4)运用图像分析软件,可以得出:a2t2,导管的壁厚约为六棱柱的5.5倍,单个导管的横截面面积的平均值约为单个六棱柱胞体的统计平均值的3倍,由此可近似算出31332,代入式(4)可得E31/E32105(5)结果显示厚壁导管的轴向杨氏模量是不规则六棱柱胞体的105倍。可见这种定向排列的导管能大幅提高泡沫的
23、轴向杨氏模量,对轴向力学性能有很好的增强作用,这种作用将随单位横截面上导管数量的增加而加强。关于轴向压缩屈服强度比径向大许多倍的原因,类似压缩杨氏模量,也取决于压缩变形机制的改变和导管的增强作用。总而言之,无论是变形机制的影响还是导管的增强作用,归根结底造成上述现象的原因是它们特有的形态结构。2.5 力学性能与表观密度的关系在研究中我们也注意到,泡沫的密度也是影响泡沫材料力学性能的一个非常重要的因素。因为密度的增大使胞壁的厚度增加,结果使胞壁的刚度增大,从而增强胞体抵抗变形的能力,大幅提高泡沫材料的压缩杨氏模量和压缩屈服强度等力学性能。表1中高粱秆、玉米秆芯泡沫的压缩性能的变化趋势也体现了类似
24、的规律。3 结 论综上所述,玉米秆芯和高粱秆芯,都是一种天然的低密度闭孔泡沫,由一种近似于六棱柱形状的胞体构成,胞体沿轴向重复排列,其间分布有厚壁导管。这种复合结构不仅使轴向和径向的压缩变形机制发生改变,而且使轴向的压缩杨氏模量、压缩屈服强度比径向压缩杨氏模量、压缩屈服强度大47倍。导管增强的复合结构是引起这类天然泡沫材料具有显著各向异性的重要原因。这一结论也为提高泡沫材料在某一方向的承载能力提供了仿生依据。参考文献:1Rajapakse C S,Thomsen J S,Espinoza Ortiz J S.An expres2sion relating breaking stress and
25、 density of trabecular boneJ.Journal of Biomechanics,2004,37:1241 1249.2 卢子兴,邹 波.短纤维增强泡沫塑料力学行为的研究进展J.复合材料学报,2005,22(5):1 8.Lu Zixing,Zou Bo.Advance of studies on the mechanicalbehavior of short fiber reinforced foams J.Acta MateriaeCompositae Sinica,2005,22(5):1 8.3 卢子兴.微孔泡沫塑料力学行为的研究综述J.力学进展,2002,32
26、(3):365 378.Lu Zixing.A review of studies on the mechanical behavior ofmicrocellular plastics J.Mechanics Headway,2002,32(3):365 378.4Easterling K E,Harrysson R.On the mechanics of balsa andother woods J.Proceeding of Royal Society of London,1982,A383:31 41.5Gibson L J.Biomechanics of cellular solid
27、s J.Journal ofBiomechanics,2005,38:377 399.6 王立信,郭 强,苏 青.玉米抗倒性与茎秆显微结构的关系J.植物学通报,1990,7(3):36 38.Wang Lixin,Guo Qiang,Su Qing.The relative correlation be2tween the anti2lodging property and the microstructure in cornJ.Chinese Bulletin of Botany,1990,7(3):36 38.7 王 健,朱锦懋,林青青.小麦茎秆结构和细胞壁化学成分对抗压强度的影响J.科学
28、通报,2006,51(3):679 685.Wang Jian,Zhu Jinmao,Lin Qingqing.Effects of structureand chemical components of wheat stem on anti2pressing inten2sity J.Chinese Science Bulletin,2006,51(3):679 685.8Grenestedt J L.Effective elastic behavior of some models forperfectcellular solids J.International Journal of S
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