竹材多尺度梯度结构影响其不对称弯曲行为的科学机制解析及其仿生复合材料设计启示

（编辑推荐）本研究通过多尺度表征技术揭示了竹材壁层梯度结构对化学组分、物理力学性能的调控规律，发现维管束(Vascular Bundle)梯度分布通过诱导微裂纹多区域扩展、界面应力有序释放等机制提升材料强韧性，为仿生复合材料(Biomimetic Composites)的梯度结构设计提供了创新理论支撑。

　　

Highlight

竹材独特的跨尺度功能梯度结构（Multi-scale Functional Gradient Structure）赋予其卓越的弯曲性能，成为先进复合材料（Advanced Composites）的理想仿生模板。本研究首次阐明其维管束-薄壁细胞梯度体系如何通过化学组分梯度和物理力学性能（Physical-mechanical Properties）的协同变化，调控材料的不对称弯曲行为（Asymmetric Bending Behavior）。

材料与方法

Materials

实验选用3-4年生毛竹（Phyllostachys heterocycla），取材高度1.5-2.5米，在25^oC、10%湿度环境下平衡含水率3周。

Sample preparation

1. 1.

   竹块制备：沿壁层方向切割20mm长样品；

2. 2.

   力学测试样本：通过精密仪器加工标准试样；

3. 3.

   显微分析样本：采用超薄切片技术制备观测样品。

梯度结构竹材的理化性质分布规律

竹材维管束呈外密内疏的梯度排列（图2a），外层维管束长度（0.81mm）显著大于内层（1.38mm）。这种结构导致：

• •

  纤维素含量从外向内递减（48.2%→36.7%）

• •

  木质素梯度变化（24.5%→18.3%）

• •

  抗弯强度（Flexural Strength）外层（198MPa）比内层高63%

竹材仿生多尺度梯度结构设计讨论

研究发现竹材的梯度结构诱导了三大增韧机制：

1. 1.

   多路径裂纹偏转（Crack Deflection）

2. 2.

   纤维桥联（Fiber Bridging）效应

3. 3.

   界面应力阶梯式释放

   这为设计具有类似"外刚内柔"特性的仿生水凝胶（Hydrogels）、金属基复合材料（MMCs）提供了新思路。

Conclusion

竹材维管束梯度结构通过调控裂纹扩展路径和能量耗散方式，实现强度-韧性的协同优化。该发现为开发新型梯度功能材料（Functionally Graded Materials）提供了仿生设计范式。