静脉分布典型植物叶片的变形行为和断裂机制通过数码显微镜下准原位拉伸试验

文摘

被子植物叶子的脉络是基于两个主要模式,一般双子叶分支和单子叶植物的平行脉。这些模式在变形和断裂性能的影响知之甚少。摘要三种双子叶植物网状脉序和三种单子叶植物选择与平行脉,和树叶的静脉分布的影响力学性能和变形行为进行了研究。整个图像的叶子都被使用数码相机,和他们的静脉特征测量使用图像处理软件Digimizer。自主研发的机械测试仪器精度高和低负载被用来测量叶片的拉伸性能。叶子的变形行为被捕使用数字显微镜在拉伸试验。结果表明,单子叶植物和双子叶植物的静脉结构是不同的,在他们的力学性能有显著影响,变形行为和裂纹扩展行为。直径越大,越多的数量静脉平行于拉伸方向,拉伸力越高,抗拉强度和弹性模量的树叶。网状脉序叶表现弹塑性断裂类型、层次结构提供抗断裂传播脉络的裂缝树叶通过延长裂纹路径。树叶与平行脉表现主要是脆性的方式或弹性断裂类型,以及平行脉抑制了裂纹的萌生在树叶通过增加负载完全断裂的树叶。加筋板的调查提供参考/壳结构和仿生anticrack设计。

1。介绍

在自然界中,植物有不同的叶和静脉结构可能与竞争选择压力在叶形式和功能受到潜在的系统约束。叶子的脉络结构的形式和功能是重要的植物光合作用,最终植物的整体性能。对古生态学解释叶形状具有重要影响,古气候学、农业、城市生态学和仿生优化设计(1- - - - - -6]。特别是植物脉络呈现不同的模式和吸引了许多植物学家和物理学家的关注。

根据树叶的分布模式,静脉可分为三种类型,二分脉络,平行脉,网状脉序。银杏叶有独特的扇形叶子拥有一个开放的二分脉络模式,蕨类植物中是很常见的,但减少对二分脉络的研究(7]。单子叶植物的叶子具有并行或弯曲的血管,和他们的主要脉,侧脉平行叶脉排列在草地和并行美人蕉籼稻L。双子叶植物的网状脉序是最复杂的。在网状脉序,主脉(1°静脉)扩展了从基础到叶子板。2°静脉被定义为那些从1°静脉分支,不同的规模和模式3°的静脉,这形成了largest-gauge网状网在叶2]。全球扩展的关系脉络特质与叶大小在双子叶物种中显示,大叶主脉每叶面积更大的直径,但较低的长度,而小静脉特征是叶片大小(独立的8,9]。

树叶的脉络中扮演一个重要的角色在运输和机械支持。叶子,加筋板结构的脉络,是有价值的自然加筋板结构的例子,值得研究。为了更好地理解叶子的脉络特征,脉络形态发生机制已被广泛研究。有三个基本的区域调查形态形成机制:生长素运河网(10,11),机械力(12),和液体运输13,14]。叶子的脉络的分布遵循最低投资额的生理原理结构实现必要的功能同时确保所有力量处于平衡状态的矢量和为自营叶(12,13),然后对脉络有助于我们更好的理解运用仿生学来解决类似的工程问题。例如,受生长机制的叶子脉络,刘et al。15)提出了一个自适应形态发生算法设计加筋板/壳结构增长的方式,沿着任意方向和该算法产生有效的加强剂。

留下许多物种都薄,平面结构,容易食草动物,风,和其他来源的物理伤害(16]。研究如何让实现他们的结构完整性在复杂的自然条件和不同静脉分布的影响力学性能的叶子上吸引了越来越多的关注。树叶的力学性能已经显示使用穿孔,眼泪,弯曲,或剪切类型的技术显示高度scleromorphic叶子一个数量级强硬和强于软叶(17- - - - - -19]。王等人。20.)调查了8种植物叶片的结构和机械性能使用拉伸和纳米机械测试。结果表明,叶片的极限强度与材料组成和结构,和皮质的叶子通常表现出较高的抗拉强度。在最近的一项研究中对刚度的叶表皮和叶肉36被子植物物种,小野田等。21)表明,表皮层的刚度比落叶常绿物种更高的物种和与角质层厚度密切相关。

叶子的脉络几何形状和密度也影响叶片的机械稳定性和力学行为22]。格林伯格et al。23]研究了黑麦草的拉伸行为表明拉伸性能取决于拉伸测试运行的位置在试样的应变速率拉伸试验。而一些草叶子标本主要是脆性的方式表现,其他人表现semiductile模式。卢卡斯et al。24调查的断裂韧性属inophyllum L。叶使用切割和切口拉伸测试。结果表明,发现韧性取决于静脉断裂路径的存在。拉伸和切割测试意味着在直角辅助静脉断裂路径平行的3.0倍。为了生存,植物必须有机制抵抗裂缝(裂纹的萌生和扩展)。Balsamo et al。25)发现,拉伸断裂平面两个物种之间的不同p . serrulata沿着二次压裂静脉,h . arbutifolia主要在叶无论静脉或骨折叶肉的位置。当叶子p . serrulata和h . arbutifoli受到拉力,产生持续的弹塑性应力-应变曲线类型。拉力测试的叶子,Meidani et al。26]也观察到当裂纹尖端传播通过叶和分割的一个强大的静脉,裂纹沿界面发生偏转。然而,很少有研究关注静脉分布叶机械性能的影响,变形,裂纹扩展行为。

摘要树叶的脉络形态和拉伸性能从6种植物进行了研究,和静脉分布叶机械性能的影响,变形行为和裂纹扩展行为也被调查。首先,三种双子叶植物网状脉序和三种单子叶植物选择与平行脉。数码相机是用来捕获整个图像的叶子,和他们的静脉特征提取使用图像处理软件Digimizer。其次,根据血管的分布和取向,几种典型测试位置被从每个叶准原位拉伸测试,和变形行为的叶子被使用数字显微镜在拉伸试验。第三,结合叶特征和裂纹扩展行为通过叶片表面不同的树叶,静脉分布的影响对变形行为和断裂机制进行了分析和比较。这将给洞察加筋板/壳结构设计和仿生anticrack材料。

2。材料和方法

2.1。材料

有相当大的变化,叶子脉络在被子植物中的两种主要模式,包括分支和网状双子叶植物模式和并行单子叶植物的模式。网状脉络,它包括羽状和掌状的。并行树叶的脉络,静脉是严格平行,弯曲和近似平行,或者penni-parallel (pinnate-parallel)。penni-parallel叶有中央midvein继发性静脉,本质上是彼此平行(27]。平行脉(parallelodromous),并行1°静脉产生种间接叶基,向叶端收敛。弯曲和近似平行脉(campylodromous),并行1°静脉产生种间接达到或接近叶基并运行在强烈内弯的拱门,往叶端[28]。为了检查双子叶植物叶片的特征和单子叶植物的植物叶子,叶子的形态和密度静脉和分支夹角叶脉被认为在选择植物种类。与网状脉序(包括三种双子叶植物杨树阿尔巴林恩。(杨柳科),紫丁香oblata采用。(木犀科)臭椿altissima(机)。击打(苦木科))和三种与平行脉(包括单子叶植物美人蕉籼林恩。(美人蕉科),玉簪属草本植物摘要(林)。亚瑟。(百合科)Rhapis excelsa(研究)。亨利Rehd交货。(棕榈科))随机收集从长春吉林大学,中国。如图1,p·阿尔巴有掌状的网状脉序和两个吗美国oblata和答:altissima有羽状网状脉络。c .籼,摘要,r . excelsa有penni-parallel campylodromous分别和parallelodromous脉络。所有采样树叶发育完全没有任何视觉损伤或衰老。样本用惰性防水塑料薄膜和储存在4°C,以避免丢失膨压前观察和机械测量。在一天内进行了观察和测量的集合。

2.2。测量叶片特征

叶性状叶宏观力学行为产生重大影响。为了测量叶面积、叶的形状,和主要静脉特征的叶子,叶子六个植物物种的整体图像捕获使用数码相机(模型尼康D7500、东京、日本)和手动分析图像处理软件Digimizer。整个叶子图像测量叶面积;最大叶长/宽的形状指数;长度的1°,2°,3°静脉(或中脉和侧脉)9];和分支角。血管密度(毫米毫米²)被表示为其所有段的长度之和(mm)单位面积(毫米²)[2]。静脉长度的网状脉序植物答:altissima,美国oblata,p·阿尔巴测量所有1°静脉和静脉2°一半的叶和2°静脉的总长度增加了一倍。3°静脉的密度平均为一至三个子样品区域测量集中在上面,中间,和底部的右侧叶的三分之二。平行脉植物,静脉的长度摘要和r . excelsa测量主要静脉的基地。静脉的长度c .籼从中脉静脉测量,侧脉的密度平均为一至三个子样品区域测量集中在上面,中间,和底部的右侧叶的三分之二。角度由二级静脉midvein测量远端之间的连接(顶点)继发静脉和midvein。在埃利斯et al。28),每个角被确定为角认为两个元素或射线。一个雷midvein后远端连接,另一个分割的二次沿着中等长度的25%。2°和3°静脉分支夹角也以同样的方式。

2.3。拉伸测试和叶片的变形行为

拉伸测试进行叶样品使用自主研发的机械测试装置(模型Mtest50,中国)。应变率的实验在室温下的3.0毫米/分钟。拉伸样品的准备,我们主要关注的方向之间的夹角有关主要静脉和样品的拉伸力的方向。除非表示,所有样品的宽度是4.5毫米,长度是30毫米。所有样本被一对平行刀片切除。根据血管的分布和取向,四个样品的网状脉序叶子和三个平行叶脉叶子的采集样本进行拉伸测试,如图1。网状脉序叶子,样本1包括削减远侧地的中脉的基础从一个点2厘米的叶长轴平行于中脉。示例2被平行于中脉,侧2厘米。样品被沿着叶一半。在示例3中,样品的长轴垂直于2°静脉的张力是应用于直角静脉。样品被中途在2°脉,中脉的分化叶子的中心。示例4肋间板(板二次静脉之间)。示例4被平行于2°静脉,一半在2°脉,中脉的分化叶子的中心。对于平行叶脉叶子,所有样品在整个叶的中间。中脉的直径c .籼又大又无法衡量在相同的测试条件下,中脉是不考虑。为了得到相同的方向拉伸三个平行样品的主要静脉静脉植物的中脉摘要叶不考虑。1°静脉或外侧静脉示例1中平行于拉伸方向。样品2的摘要和c .籼被平行于中脉,侧2厘米。之间有一个锐角的长轴样品2和主要的静脉,拉伸力是应用于静脉急性角。为了得到相同方向的三个平行的示例2中的主要静脉静脉植物之间的一组约45°角是主要的静脉和示例2中的拉伸方向r . excelsa。1°静脉或外侧静脉样例3中垂直于拉伸方向。的叶子r . excelsa是非常狭窄,其拉伸样品包含各级静脉。

自答:altissima树叶厚1°静脉,样品1的宽度减少到10毫米更好地观察裂纹的传播。指出,只有一个拉伸试样从每片叶子的切除美国oblata和p·阿尔巴。每个样本都被切除之前测量的测试样本尽可能保持新鲜。平均值的计算和记录三为每个物种样本。

文森特(29日]表明,拉伸样品可以避免柱头如果试样是8到10倍的时间比其宽度和切口试样的拉伸试验能提供工作骨折(韧性)和信息传播的缓解裂纹通过材料。然而,不同的样本准备从上面。我们感兴趣的静脉分布对力学性能的影响,变形行为,叶子和裂纹扩展行为的三双子叶植物和单子叶植物三个植物物种。当叶子有不同的静脉分布受到拉力,裂纹的起始位置和传播路径是很重要的。由于不规则的测试样品的性质,是不适当的使用长尺寸的一种有效的样本(初始夹之间的距离)。从叶获得力学性能的结果会不同,因为整个边缘和支持叶被摧毁的一部分。同时,如果材料“notch-sensitive”,裂缝将潜在的危险影响材料的完整性,因为一个小裂缝严重可能导致整个材料被打破。因此,我们没有使用一个等级在叶样品我们没有想控制第一个出现裂缝。我们的测量可能有一些变化,但我们认为,我们的测试条件是更好的力学性能比较在不同的测试块。

拉伸测试,样品被一双夹夹,夹之间的自由长度是大约12毫米。一双橡胶垫固定在夹子的试验机,以防止损坏样品夹。所有叶片的厚度和宽度测量使用Pro-Max数字卡尺(美国福勒仪器,波士顿,MA),然后是横断面样本计算领域。力-位移曲线自动记录。曲线的线性部分,组织的灾难性故障之前,被用来计算最大斜率。抗拉强度( ),弹性模量( ),和断裂伸长( )计算了

在哪里最大负荷(N),是样品的横截面面积(毫米²),是原始长度之间的样品夹,然后呢位移(毫米)。

数码显微镜(中国Supereyes B011)来捕获的变形行为叶在拉伸试验,也被用来获得叶形态的低功耗缩微图像后测试。根据这些叶子的图像形态,静脉分布的影响叶片的变形行为和断裂机制六个植物物种进行了分析。

3所示。结果与讨论

3.1。树叶的叶特征的六个植物物种

静脉特征的叶子的三双子叶植物和单子叶植物三个植物物种在图所示2、叶形态的结构参数和静脉特征表中列出1。相比之下,网状脉序的三种双子叶植物,三种单子叶植物平行脉叶length-to-width更高比率值。此外,除了的叶子c .籼,其他五个物种的叶子的厚度没有显著差异。

树叶与网状脉序最伟大的多样性在静脉结构但共享关键的建筑元素,也就是说,静脉订单形成网状网的层次结构。如数据所示2(一个)- - - - - -2 (c),至少有5个层次的静脉直径不同,出现在脉络系统三种网状脉序植物。Midvein利差从叶柄先端和生长板。二级脉从midvein和并行运行,和更高的静脉与较低的连接。在被子植物的层次叶静脉系统,静脉的分支订单在一个给定的叶子有较小的直径,但大分支的频率和长度。密度(长度/叶面积)的主要静脉显示下降更大的叶子。p·阿尔巴有掌状的网状脉序具有最高的1°静脉密度。叶子的大小答:altissima是比美国oblata。然而,1°和2°静脉的密度答:altissima小于美国oblata。值得注意的,密度变化之间的3°静脉不明显3种网状脉序植物。第四和第五位的静脉网状脉序植物覆盖大部分的叶面积,同时让较小的直径。

跨物种静脉分支角度也不同。在成熟的叶子,脉络模式是多样的,但是他们的局部结构满足通用属性:在静脉汇合处,角度和直径相关的矢量方程类似于一个力平衡(12]。这个矢量方程可以表示在整个静脉系统;在每个角度三脉结半径成正比的连接静脉(1,30.]。因此,矢量平衡判据给出了适当的角度存在的静脉分支在同一植物的叶子。次要的和主要静脉之间的分支角度p·阿尔巴,美国oblata,答:altissima从41°- 76°,43°- 65°,分别和53°- 67°。和他们的意思是角度61°,53°,分别和66°。同样,意味着分支中学和主要静脉之间的角度p·阿尔巴,美国oblata,答:altissima76°、74°和86°,分别。它可以发现静脉分支通常通过最短路径连接。在更大的植物叶子,三级静脉相互平行,大约垂直于次要的静脉。

与平行叶脉叶子,静脉是严格平行,弯曲,近平行,或penni-parallel,如图2 (d)- - - - - -2 (f)。c .籼密度和薄平行辅助静脉分支中脉。摘要拥有campylodromous静脉,薄横静脉连接相邻campylodromous静脉。r . excelsa具有平行脉和细横静脉。由于横向脉的存在,这些叶子形成一个网格系统,类似于双子叶植物。大,中间纵向静脉类似于主要静脉订单,和小纵横静脉静脉和类似于小静脉(31日]。这些叶子的小横静脉强化对弯曲部队(1]。此外,固有的折叠或卷曲r . excelsa叶子也能导致结构刚度(22]。它的密度或平行叶脉叶子的主要血管也随叶面积增大而减小。

虽然六种植物的叶子有不同的脉络体系,静脉显示常见的层次结构特征。层次和网络特征的叶子保证全球所需刚度和地方各向同性强化布局(32]。为了进一步研究静脉分布的力学行为的影响,不同叶片脉络的拉伸性能系统研究了原位拉伸测试在以下部分中。

3.2。机械性能

拉伸测试的典型的力-位移曲线上留下的三双子叶植物和单子叶植物三个植物物种是绘制在图3,数字1 - 4叶上的位置的四个测试样本。超出了最大力量,几个状力滴网状脉序植物和示例1中记录摘要平行脉,对应连续静脉的断裂行为。如数据所示3(一个)- - - - - -3 (c),当叶子p·阿尔巴,美国oblata,答:altissima与网状脉序从拉力拉伸,力-位移曲线显示了弹塑性类型(25]。下行曲线是衣衫褴褛,这表明静脉打破顺序在树叶随着负载的增加。需要指出的是,摘要拥有柔软的叶子和血管密度低,拉伸曲线类似于网状脉序树叶。相反,力-位移曲线c .籼和r . excelsa没有透明的塑料前阶段断裂主要是脆性的方式和行为(23]。此外,叶子的灾难性失败后的下行曲线保持线性,表明大多数静脉负责抗拉强度是打破大约在同一时间。断裂韧性是指工作,测量力-位移曲线下的面积(19]。在数据3(一个)- - - - - -3 (c)示例1的韧性高于样品2和样品4最低的三个种类的网状脉序树叶。如数据所示3 (d)- - - - - -3 (f)所示,类似的模式也平行叶脉叶子。但是,样品3的摘要是比样品2。

最大负载的变化,抗拉强度、弹性模量和完整的断裂伸长的叶子的三双子叶植物和单子叶植物三个植物物种在不同的测试位置的叶子是绘制在图4,1 - 4显示的数字位置测试样品的叶子。物种间有显著差异的拉力测试。然而,最大负载的值,抗拉强度和弹性模量的样品1的六种都是最大的。特别是,答:altissima拥有一个更大的主静脉直径和薄叶厚度比p·阿尔巴和美国oblata。的抗拉强度和弹性模量的主要静脉示例1答:altissima16岁和52比样品2 - 4倍,分别。然而,最大负荷、抗拉强度和弹性模量的样品2 - 4答:altissima是其中最小的六种植物的叶子。同样,最大负荷、抗拉强度和弹性模量的样品1的r .擅长6倍的样品2和3。除了样品1、样品2和3的三种单子叶植物与平行脉有更高的最大负载,抗拉强度和弹性模量的值相比,样品2 - 4三种双子叶植物的网状脉序。指出最大负载的差异,抗拉强度和弹性模量的样本2 - 4相同的物种并不重要。

血管的分布和取向对树叶的拉伸性能有重要影响。脉络具有更好的力学性能和antistretch能力相对于其他组织(20.]。主脉和并行植物叶片侧脉承担主要荷载,可以提供一个框架板卷、或允许弯曲弯曲,以减少蒸腾作用和机械负载(1]。树叶的细血管的力学性能做出一个相对较小的贡献。直径越大,越多的数量静脉平行于拉伸方向,张力越大,抗拉强度和弹性模量的树叶。

之间的完全断裂伸长六种植物叶片是明显不同的。此外,伸长断裂之前c .籼密集平行脉比的小p·阿尔巴,而完整的断裂伸长摘要是比p·阿尔巴。结果表明,拉伸性能相关的叶子不仅静脉方向也随着叶片的材料组成和结构。r . excelsa叶子更强、更严格的和更严格的比其他柔软的叶子,和完整的断裂伸长叶更小。在柔软的叶子,主要静脉可以提高抗拉强度和弹性模量,同时确保树叶有更高的完全断裂伸长。基于上述研究,让需要的机械变形行为进行了讨论。

3.3。机械变形行为

3.3.1。裂纹扩展行为与网状脉序的叶子

叶片的裂纹扩展行为样本不同静脉模式和分布p·阿尔巴在拉伸测试如图5。时间标记在图5代表整个裂纹扩展过程的时间。对应的第一个图(a - 1) - (5), (b - 1) - (b-5),(颈- 1)- (c - 5)和(d 1)——(d-5)是初始状态。第二个图显示了裂纹的起始。第三和第四个数据显示裂纹的传播。第五个图反映了最终断裂状态。静脉的裂纹扩展方向平行于拉伸方向的样品1所示的数据5(a - 1) -5(5)。与伸长,样本1逐渐达到的最大弹性伸长7%在106年代初,和裂缝出现在叶肉的弱者的区域图5(a)。然后,叶肉中的裂纹继续传播,直到裂纹尖端遇到主脉和裂纹停止传播数据5(a - 3)和5(4)。最后,主脉和叶肉弹簧的一端在叶肉分离。样品2和3拥有2°和3°静脉;随着伸长率增加,裂缝开始在叶肉。裂缝经常偏离,当裂纹尖端遇到2°和3°静脉的人物5(酮)-5(b-5)和5(颈)5(c - 5)。拉伸曲线如图3(一个)也支持这一观点。叶肉或小静脉首先被破坏,由于频繁的挠度裂缝,下行曲线是衣衫褴褛。薄矿脉中扮演次要角色防止裂纹的传播。如数据所示5(d 3) -5(d-5),肋间叶样品4中的裂缝传播通过细静脉,直到叶终于休息了。

在图6,美国oblata和答:altissima表现出类似裂纹的行为。的叶子美国oblata是比p·阿尔巴的静脉美国oblata是弱。除了样本1与主脉,裂纹不转移明显的样品2 - 4叶没有主要的血管。因为答:altissima主要有一个更大的静脉直径和薄叶厚度、样本的主要脉1熊总负荷,直接夹一端和示例。样品2 - 4的裂纹扩展行为相似美国oblata。结果表明,3°静脉和静脉薄薄的美国oblata和答:altissima裂纹的传播过程中扮演一个次要角色。

的层次结构和网络脉络网状脉序叶子在裂纹扩展过程中有显著的影响。树叶与网状脉序展览衣衫褴褛的破损模式表明组织的叶子有不同的抵抗拉应力的能力。裂缝通常叶肉和偏转,产生的延误,甚至停止一旦达到主静脉或2°静脉。一些经济实力较强的3°静脉也可以引起裂纹变形量,但大多数细静脉较弱,没有明显的对裂纹扩展的影响。

3.3.2。裂纹扩展行为与平行叶脉的叶子

叶片的裂纹扩展行为与不同的静脉分布样本c .籼如图7。对应的第一个图(a - 1) - (4), (b - 1) - (b-4)和(颈- 1)- (c - 4)是初始状态。第二个图显示了裂纹的起始,白色箭头显示裂纹萌生的网站。第三个图说明了裂纹扩展。第四个图反映了最终的断裂状态。裂纹扩展在样本静脉方向平行于拉伸方向图所示7(a - 1) -7(4)。伸长,样本1标本逐步达到最大弹性伸长,在98年代,6.34%的初始长度主要静脉如图7(a)。裂缝传播迅速通过邻叶肉在两个方向(图7(a - 3))与邻近的瞬间崩溃的主要血管,只有进一步增加0.12%伸长/ 2年代完成骨折(图7(4))。

在延伸过程中,裂缝传播通过示例1中的平行脉,因此需要一个更大的拉伸载荷加载在叶促进裂纹萌生。与示例1相比,样品2和3中的裂缝产生的界面静脉和叶肉然后传播和破坏几乎瞬间沿着叶肉或接口,所以休息的负载样品2和3小于样品1。虽然休息几乎瞬间出现,我们也观察到骨折开始界面的一个静脉但结束界面的另一个小示例2中纵向脉。此外,大多数静脉负责抗拉强度是打破大约在同一时间。骨折也可能依赖伸长的速度不允许传播裂纹偏转的界面下静脉断裂。这种现象也验证下行曲线后灾难性故障的叶子保持线性图3 (d)。虽然样品2和3的最大负荷减少血管的分布方向的变化,增加样品的完整的断裂伸长。

摘要拥有柔软的叶子和血管密度低(数字8(a - 1) -8(a - 3)),其裂纹扩展行为类似于网状脉序树叶。有很多薄之间的横向脉campylodromous静脉的叶子摘要,但当拉伸载荷叶、横静脉提供小电阻。因此,裂缝通常是由叶肉或叶肉和静脉之间的接口,然后迅速传播,直到叶骨折。高度scleromorphic的裂纹扩展行为r . excelsa叶子是相似的c .籼叶子,如图8(b - 1) -8(酮)。然而,叶子更大密度的静脉,静脉的分布和方向的变化几乎没有影响样品的完整的断裂伸长。大部分的横向脉弱,没有明显的对裂纹扩展的影响。

平行脉显著影响裂纹扩展的过程。平行脉断裂所需的力增加叶子在拉力测试中通过传播负载在许多强大的静脉从而抑制裂纹的萌生。然而,一旦裂缝已经发起了一个静脉断裂,当前负载突然跨越剩下的静脉,超过个人的力量,导致整个叶子灾难性的失败。与平行脉的叶,叶肉,弱,可能足以防止剩余静脉滑动和单独的负载增加随之而来的失败一个静脉,导致灾难性的失败。因此,材料可以被设计为平行脉有稍微不同的长处,而不是相同的强度,使材料更严格。通过调整间距平行脉,材料的断裂可以更容易控制。

静脉特征的结果,机械测试和变形行为表明,拉伸性能、变形行为和裂纹扩展行为的相关植物叶片刚度的叶子,静脉的程度的发展,静脉在树叶的分布和取向拉伸测试。树叶与网状脉序表明弹塑性断裂类型,和不同脉络的层次结构网络抑制裂纹的传播偏转的叶子,拖延,甚至阻止裂纹的树叶。大部分的叶子与平行脉络表现脆性为主的方式,和平行脉断裂所需的力增加叶子在拉力测试中通过传播负载在许多强大的静脉从而抑制裂纹的萌生。

4所示。结论

在这项研究中,静脉特征和力学性能的六种植物叶片不同的树叶脉络系统。根据叶的叶形态和静脉特征,从每片叶子被选几个典型的测试地点。拉伸性能和变形行为进行了研究使用数码显微镜下准原位拉伸试验装置。根据静脉特征、机械测试,和变形行为的结果,发现叶子的静脉分布的力学性能有显著影响,变形行为和裂纹增长。结果可以概括如下:(1)叶子有很好的静脉和网络的层次结构特点,支持整个叶片的刚度。主要血管的密度随叶面积增加,通常要和静脉分支连接的最短路径。一个分支41°~ 75°角观察1°和2°之间的静脉,以及更高的在双子叶植物叶脉之间近90°。单子叶植物的叶静脉通常相互平行,或有小横脉垂直于他们(2)原位拉伸实验表明,静脉结构的力学性能有显著影响。直径越大,越多的数量静脉平行于拉伸方向,拉伸力越高,可以抵制和整体较高的抗拉强度和弹性模量的树叶。与网状脉序物种相比,平行脉物种的叶子显示相对高强度刚度。树叶与网状脉序表明弹塑性断裂类型,和大部分的叶子平行脉络表现脆性为主的方式(3)裂纹扩展的结果验证的力-位移曲线的差异在原地张力测试的六个植物物种。抵抗裂纹扩展的有效性与树叶的刚度,静脉的程度的发展,静脉在树叶的分布和取向拉伸测试。层次结构网络脉络延长裂纹路径和提供抵抗裂缝延伸。平行脉增加负载完全断裂的树叶和抑制裂纹的萌生(4)分支模式的启发,叶子,材料可以被设计多级网状静脉和/或平行脉和稍微不同的优势,这可能会使材料更严格

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

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(号。51375006,51975246,51775221),中国博士后科学基金会(801161050414号和2016年m590256),吉林省科技发展(20150520106号jh)。

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