的结构和弯曲性能香蒲叶子

文摘

的香蒲叶有一个轻量级的悬臂梁结构,与低密度表现出优良的力学性能。特别是,叶片发展高强度和低密度孔隙度高。本文的结构香蒲叶子是特点是microcomputed断层扫描(ct机)和扫描电子显微镜(SEM),并与弯曲性能的关系进行了分析。三点弯曲试验是叶子上执行检查弯曲特性,这表明,弯曲性能变化梯度从基地到顶端。的横截面几何形状叶片呈现强烈影响优化的抗弯刚度。叶片的负荷能力的发展水平取决于表皮组织,维管束,机械组织,和几何属性。调查可以轻量级的基础结构设计和仿生工程领域中的应用。

1。介绍

香蒲glauca也叫水蜡烛,通常生长在浅水沼泽湿地多年生草本植物。由于低成本和大表面积活性炭原料制造潜力的吸附剂(1,2]。香蒲植物广泛应用于构建湿地生态修复(3和污水处理4- - - - - -6]。此外,香蒲也为保温原料(7)、编织和文献[8)由于其纤维长度、韧性和保温性能。

更重要的是,香蒲叶子可以被认为是一个轻量级的悬臂梁与令人印象深刻的长度和一个大长细比。这是因为正常的垂直的增长香蒲叶子是确保通过优秀的机械性能尽管重力的力量,风和雨。在先前的研究中,结构香蒲叶的解剖分类主要是引用的物种和遗传变异9- - - - - -12]。最近,关于复合材料研究香蒲植物纤维已经开始(13- - - - - -15),逐步成为小说的亮点。天然纤维通常用作复合材料强化增加特定的抗拉强度和能量吸收。作为生物材料,香蒲叶片不均匀,其结构响应是由几个因素决定的,包括细胞的材料,组织的安排,纤维的组装,以及它们之间相互作用的程度。此外,的叶子香蒲有夹层结构和连续leaf-handed捻防止屈曲的自然条件和外力的风暴16]。空气中的极细纤维电缆的隔间香蒲叶下强劲张力张拉整体结构形式,这将创建多个负载路径通过压力重新分配在整个高1 - 3米直立叶(17]。直到最近几年,力学性能香蒲叶被单轴拉伸和三点弯曲试验研究,结果表明最大负载,弹性模量,叶片的刚度提出了梯度变化在高度方向上18,19]。尽管上述作品的机械行为香蒲叶在某种程度上,但结构和力学性能之间的关系香蒲叶子还不清楚。

在这篇文章中,ct机和扫描电镜观察的三维宏观形貌和微观结构香蒲叶子。横截面的叶子从基地到顶点被数码相机记录。然后,横截面几何形状对抗弯刚度的影响通过使用形状变形金刚的方法进行了研究。三点弯曲试验进行检查弯曲特性。最大断裂载荷、弯曲强度、弯曲模量和表面断裂伸长率的测定。的结构和力学性能之间的关系香蒲叶分析提供自然灵感重量轻的设计和应用。

2。材料和方法

2.1。材料

新鲜的和成熟的香蒲叶子在这项研究中收集用于随机从长春南湖公园,中国。样本用防腐剂电影和存储在一个冰箱在4°C。

2.2。三维宏观形态学观察

桌面microtomograph Skyscan 1172 x射线成像(2005年Skyscan Skyscan喷嘴速度,Vluchtenburgstraat, Aartselaar, Belgium) was employed for external as well as internal structures of sample and calculated porosity characterization. CT sample was acquired from the middle of the fresh香蒲叶片与12毫米的长度。样本扫描的电压40千伏,电流为250μ一个,230 ms的曝光时间。为了最小化泊松噪声、旋转步长为0.4结合随机运动和多幅成像期间平均使用。我们选择了9.99μ1221像素大小,照片。然后力量的CTAn和力量的CTVox软件用来重建3 d的横断面结构在1221年样本图片。

2.3。显微组织观察

香蒲与蒸馏水清洗和烘干前观察。样品(横截面,日冕部分和纵向部分)在底部和中间切用小镊子从侧面的叶片。6 nm厚金膜涂布于108年每个示例使用真空离子镀膜机。之后,基地和中部叶片的显微结构观察,SEM(模型EVO-18,蒙古包)。然后,叶的内部结构的细节。

2.4。形状变形金刚和三点弯曲试验

材料和结构的横截面扮演了一个重要的角色在整个叶片的弯曲特性。横断面结构对力学性能的影响已被广泛研究了形状变形金刚的方法(20.,21]。通过这种方法,截面的几何量由相同几何量的规范化周围的信封,这是主要定义的矩形横截面尺寸。几何形状变压器的数量, ,被定义为 在哪里信封的几何量。例如,形状变形金刚面积和截面惯性矩x设在可以被定义为

在这里,我们使用的曲线来定义形状和制定的形状变形金刚的家庭(21]。在他们的隐式形式,由这些曲线 在哪里n可以是任何有理数,一个和b是正实数描述椭圆形的半径。

三点弯曲试验进行香蒲树叶收集抗弯性能的原位弯曲试验机(模型Mtest50,中国),应变速率为3.0毫米/分钟在室温。三种典型香蒲叶子被选为弯曲试验。根据腹侧表面的弯曲程度,样本被命名为凹1号,2号凸,分别和平板3号。从基础到顶点,每片叶子被切成六段标本约4厘米的长度,然后进行弯曲试验。力-位移曲线自动记录。同时,横截面的标本被数码相机、监控和横断面形状表现检查(见表1)。抗弯强度(σ),弯曲模量(E),表面断裂伸长率(ε)计算了(4),(5)和(6),分别。 在哪里F最大负荷(N),l是距离(毫米),米时最大弯矩和三点弯曲试验( ),W截面抗弯模量(毫米吗³),H是试样厚度(毫米),f表明变节(mm)。

3所示。结果与讨论

3.1。三维宏观形态学观察和分析

的香蒲叶进行了研究,如图1(一)。同步加速器辐射CT图像的中间的一小部分香蒲叶图所示1 (b)和1 (c)。图1 (b)显示了叶片的三维结构。表皮、隔膜和分区使叶是一个轻量级的悬臂梁。根据CT的结果分析,样品的体积和孔隙空间4.87×10¹²μ米³和4.68×10¹²μ米³,分别。所以这个小样品的孔隙度(百分比)是96%。

图1 (c)说明了三个样品的基本基本视图。叶的横切面(交易)显示了一个新月形状。叶的腹侧和背侧表面由分区形成17个隔间。通气组织间形成香蒲叶子通过程序性细胞死亡的细胞溶菌作用有关(22]。充气室允许大量的空中和水下部分之间的气体交换(23),降低叶重,使植物适应浮在水里。腹侧表面,背侧表面,分区包含许多维管束和纤维扮演重要角色在支持整个叶子。日冕部分(软木)拥有一个统一的网格结构,它是由横向膜片的交错布置在相邻列的隔间。矢状切面(凹陷)表明,横隔膜连接到背侧和腹侧表面在车厢里。彼此和所有膜片是平行的。并行膜片可能导致增加叶子的抗弯刚度。宽度(B)和厚度(H)的截面后来被用于几何参数测量。

3.2。显微组织的观察和分析

基本的形态特征和中间香蒲叶图所示2。隔膜,它表明,叶表皮包含分区,nonlignified纤维电缆和泡沫组织。数据2(一个)和2 (b)的交叉和纵向部分叶片的基础,分别。数据2 (c)和2 (d)的交叉和纵向部分叶片中间,分别。它可以发现中间室充满泡沫组织形成一个网络叶子的底部。然而,只有少量的泡沫组织现有的中间的叶。此外,还有比这更底部横隔膜在中间充当一个悬臂梁结构。叶的基础支持整个叶片的重量和抵制更多的负载比附近的顶点在弯曲的状态。由于刚度取决于核心厚度,所需的额外力量的下部叶可以通过增厚轻量级实现核心(16]。因此,轻质多孔泡沫组织和隔膜叶子的基础上有效提高叶基的稳定性,防止弯曲破坏在很大程度上。

香蒲树叶是刚性和皮下血管和纤维束在恶劣天气保持稳定。维管束和纤维束分布的分区,背侧和腹侧表面的叶表皮沿高度方向。春天的维管束由纤维(如图2 (e))。连续垂直分区作为一个工字梁结构连接背侧和腹侧表面,以减少一些风致弯曲的压力。图2 (f)表明,横隔膜相互平行和垂直分区。在图2 (h)通气组织的膜片由组织由两个或两个三层薄壁星状细胞(图2 (g))。叶的横隔膜的存在可以防止横向剪切,保持外部表皮的曲率,并提供封闭箱刚度。尽管这些优秀的功能,膜片遍历的极细纤维电缆也可以减少叶重和加强张拉整体结构(17]。

光纤电缆导线空气隔间,如图2 (h)。电缆的外表面有很多针晶体晶体(图2(我))。草酸钙晶体纤维电缆组成的由扫描电镜x射线能量色散进行元素分析(24),如图2 (j)。草酸钙晶体的形成会影响离子平衡和渗透调节的叶子。草酸钙晶体的另一个主要功能是提供结构支持或作为保护装置对觅食的动物(25]。此外,草酸钙在纤维表面的分布可能导致纤维强度和挠曲强度的增加纤维弯曲。

3.3。横断面形状的抗弯刚度的影响

十八横断面几何图形的三个典型香蒲树叶收集和分析。如表所示1,叶片的截面变化明显少从新月到凹形状,和叶终于两面凸的远端部分。顶端的鞘,叶子变成分开叶子之间的支持较弱,从而导致横截面形状的变化。这两个B和H的横截面轮廓减少从基地到顶点,和H降低更明显。该地区的二次矩也随横截面积的减小而减小。底部的横截面积的5.87 ~ 6.55倍,在先端。然而,在基地面积的二阶矩的114.64 ~ 152.05倍,在先端。

的横截面香蒲叶有一个新月形状有些相似。比较横截面形状的叶子效率与对称和非对称superellipses,我们选择 和2.5的曲线方程。这一比率ψ_我/ψ_一个是一个参考的轻量级的抗弯刚度设计的效率分布均匀和各向同性材料。比率值越高,硬度是弯曲和轻的形状。抗弯刚度被绘制在图3并与叶的标本(表1)。

图3说明了对称算法和非对称的抗弯刚度superellipses分数和位置信封内的材料。纯弯曲刚度、横截面形状变化没有对抗弯刚度的影响大小属性(21]。每个曲线代表的横截面的抗弯刚度为给定的体积和形状,无论材料。不对称semisuperelliptic形状比相应的对称概念时硬 和 _,half-Lame曲线,将更多的经济几乎是固体时使用的材料。稳固的三角点的位置说明的横截面的形状香蒲叶子有很高的ψ_我/ψ_一个比率。因此,香蒲叶子很有效的提供抗弯刚度。

3.4。弯曲性能的香蒲叶在三点弯曲试验

三点弯曲试验进行测量弯曲的三个属性香蒲叶子,如图4。六个典型的六个不同的位置沿高度方向的荷载位移曲线绘制在图4(一)。弯曲荷载和弯矩(米)叶呈现一个下降趋势从基地到顶点。这是因为一个随机的叶子必须支持的重量和加载部分的叶。基地附近的单位必须抵制更大的负载,因此弯矩,比附近的顶点(16]。有更多的纤维束,维管束,横隔膜,和泡沫组织存在的基础,在顶端,使弯曲刚度降低了从基础到顶点。

表1报告部分弯曲模量和叶标本的截面惯性矩。弯曲强度(σ),弯曲模量(E),表面断裂伸长率(ε由()计算4),(5)和(6),分别。挠曲强度的变化、弯曲模量和断裂伸长率的三人香蒲叶子从基地到顶点绘制在图4 (b),4 (c),4 (d),分别。弯曲强度和弯曲模量香蒲叶子变化从0.71 MPa到7.12 MPa和2.16 MPa 269.73 MPa,分别。弯曲强度和弯曲模量的值平3号最高,和凸2号的值是最低的。数据4 (b)和4 (c)显示增加的弯曲强度和弯曲模量慢慢从基地到叶子的中间,然后大幅增加从中间到先端的叶。变化趋势可能与叶片横截面的大小变化。截面抗弯模量和截面惯性矩大幅减少由于叶端附近的横截面积迅速减少,导致弯曲强度和弯曲模量的显著增加。图4 (d)说明了表面断裂伸长率的基础上叶(38.62%),这远远高于在顶端(2.21%)。1号凹的表面断裂伸长率比平坦的3号,2号和凸是最低的。它可以得出的结论是,叶片的基础与最大区域的二次矩可以站一个更大的时刻。顶端的叶片具有较高的抗弯强度和弯曲模量,这使得它很难弯曲。的最大表面断裂伸长率叶基将有效抵抗弯曲变形。因此,香蒲叶子可以防止屈曲来自大自然。

4所示。结论

在本文中,我们调查了宏观形态、微观结构的抗弯性能香蒲叶子。结果可以概括如下。(1)的香蒲叶是一个轻量级的悬臂梁,由表皮、隔膜、分区,nonlignified纤维电缆和泡沫组织。叶片的总孔隙率大约是96%,表现出高强度、低密度的特点。(2)叶片的截面变化显然从新月到少凹形状,和叶终于两面凸的远端部分。横断面形状表现与形状变形金刚了。高ψ_我/ψ_一个横截面的形状表明,比例香蒲叶有一个相当有效的抗弯刚度。(3)的弯曲特性香蒲叶的影响因素,如表皮组织的发展水平、维管束、机械组织,和横截面的形状和大小的叶片。弯曲荷载和弯矩叶表现出下降趋势从基地到顶端的叶子。然而,弯曲强度和弯曲模量大幅增加从基地到顶点,和平坦的3号的值是最高的。表面断裂伸长率的基础上顶端的叶子比这高得多,和2号凸的价值最低。(4)目前的研究给我们提供了更多信息的结构和力学性能香蒲叶和可能用于制造工程和设计新的仿生轻质结构。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51375006号,51405186,和51675223)和中国博士后科学基金会(没有。801161050414)。

补充材料

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