彎曲過程中竹材薄壁細胞的形態變化*

陳美玲 劉 嶸 王 戈 方長華 馬欣欣 張淑琴 費本華

(國際竹藤中心 竹藤科學與技術國家林業和草原局重點實驗室 北京 100102)

竹材生長快、周期短、產量高，一次種植，永續利用。作為一種典型的天然生物質材料，竹材具有從細胞水平、組織水平到宏觀水平的多級復合結構(Nogataetal.，1995)，其中空、壁薄、竹節離散分布的外觀形態，高度和直徑方向上維管束的梯度分布以及細胞壁多層結構造就了竹材獨特的力學性質(Dixonetal.，2014；Chenetal.，2018；Fangetal.，2018；Lüetal.，2018；2019)，被廣泛應用于多個領域。分割剖成的竹篾可通過編織工藝制成竹工藝品，也可采用纏繞工藝制成竹纏繞管道等(費本華等，2018)，這些都充分發揮了竹篾拉伸強度高、柔韌性好的特點，體現了竹材優異的彎曲性能。

目前，國內外學者在宏觀尺度上對竹材力學性質展開了諸多研究(Lowetal.，2006；黃盛霞，2007；Obatayaetal.，2007；邵卓平，2009；Habibietal.，2015；Wangetal.，2013；2014；Liuetal.，2016；Chenetal.，2018；2019)。安曉靜(2013)從組織層面分析了維管束和薄壁組織對竹材宏觀力學性能的貢獻，田根林等(2012)也從組織層面來揭示竹材的增韌機制；但這些研究沒能從根本上解釋竹材具有良好彎曲性能的機制。

竹材優異的彎曲性能源于其獨特的微觀結構，本研究以毛竹(Phyllostachysedulis)竹蔑為研究對象，采用循環加載-卸載方式，在電鏡下觀察彎曲過程中竹篾拉伸層薄壁細胞的形態變化。通過分析循環加載過程中細胞長軸和短軸的變化、拉伸層薄壁組織的應變變化、拉伸層薄壁細胞長軸和短軸的應變變化以及拉伸層薄壁細胞回彈率的變化，比較不同加載狀態下細胞的變形，從微觀層面探索竹材的彎曲性能，以期為竹材彎曲機制的研究和開發利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

毛竹材采自黃山林場，該林場海拔525 m，坡向西南，坡度25°。選取立地條件基本相同、平均胸徑10 cm的4年生毛竹，齊地伐倒后，在離地面1.5 m竹節中部選取試驗材料，氣干待用。從試樣中選取竹肉部分(圖1)，制成長度為40 mm、寬厚為(1.2±0.2) mm的試樣，試樣中存在維管束，調溫調濕至含水率為10%～12%，然后進行離子濺射鍍膜，用于電鏡觀察。

圖1 試樣選取部位示意Fig.1 Sample preparationLD：縱向Longitudinal direction；TD：弦向Tangential direction；RD：徑向Radial direction.

1.2 研究方法

1.2.1 加載電鏡圖像采集 采用電子顯微鏡和加載裝置聯用觀察技術，實時監測竹材在三點彎曲加載過程中拉伸層細胞形態變化(圖2)。觀察設備為FEI公司的Quanta 2000電子顯微鏡(SEM)，樣品室內裝有Deben公司的Microtest 2000微型力學測試裝置，傳感器載荷量程為660 N，跨距為24 mm，加載速率為0.4 mm·min-1。將試樣置于樣品加載臺上(圖2b)進行徑向加載，竹黃面朝上，使竹青面受拉，動態記錄試樣加載過程。采用循環加載-卸載方式，采集加載位移為0、0.2、0、0.6、0、1.0、0、1.4、0、1.8、0 mm處的圖像，對壓頭正下方的受拉層薄壁細胞(圖2c紅色框所示)和薄壁組織(圖2c虛線框所示)進行分析。

圖2 掃描電鏡樣品倉Fig.2 SEM sample holder

1.2.2 薄壁細胞及薄壁組織形態分析 采用Image-Pro Plus軟件研究加載過程中試樣未破壞前的薄壁細胞及薄壁組織，分別進行形態變化測量和分析。以細胞腔為參照，提取細胞邊界，根據邊界提取薄壁細胞的形態參數，測量薄壁細胞長軸和短軸尺寸，并計算其在水平方向上發生的長軸應變及在豎直方向上發生的短軸應變，計算公式如下：

式中：ε表示應變；l0表示細胞的初始長度(mm)；l表示細胞變形后的長度(mm)。

同時，對選取細胞所在層的薄壁組織進行應變計算。由于其豎直方向應變可近似等同于中心單個薄壁細胞的短軸應變，故只進行水平方向的應變統計。

1.2.3 回彈率分析 對循環加載-卸載的細胞進行回彈率分析，回彈率(R)計算公式如下：

式中：T0表示試樣加載前細胞尺寸(mm)；Tc表示試樣加載后細胞尺寸(mm)；Tr表示試樣卸載后細胞尺寸(mm)(孫光瑞，1997)。

2 結果與分析

2.1 彎曲過程中受拉層薄壁細胞的形態變化

由圖3a可知，隨著加載位移增加，細胞長軸長度逐漸增大，在同一循環周期內，卸載后的薄壁細胞長軸發生回彈。由圖3b可知，短軸的變化趨勢與長軸不同，隨著加載位移增加，細胞短軸長度逐漸減小，在同一循環周期內，卸載后的薄壁細胞短軸也發生回彈。薄壁細胞長軸方向發生的變形比短軸明顯，受拉層薄壁細胞長軸和短軸的初始長度分別為209.79 μm和43.50 μm，加載到1.8 mm時，長軸和短軸長度變為211.94 μm和43.19 μm。

由圖4a～c可知，加載前后細胞的形態變化無法直觀識別。采用Image-Pro Plus軟件的匹配功能，以細胞中軸線為參照，對變形后細胞與初始未變形細胞進行匹配，匹配圖顯示出的顆粒感所在位置即為2張圖像的差異，可直接觀察加載前后細胞形態發生的變化，如圖4d～i所示。由圖4d可知，2個完全一樣的細胞經過匹配，圖像無顆粒感，表面非常平滑，但圖像粗糙度略微變大，可以看見一個模糊的細胞輪廓，這說明細胞已經開始發生變形，只是變形程度較小。隨著加載位移增大，圖像粗糙度變大，細胞輪廓越來越明顯，表明單個薄壁細胞變形程度逐漸增大。由圖4i可知，細胞在水平方向上變形明顯，在豎直方向上變化不明顯。從整體上看，與短軸相比，細胞長軸方向產生的差異較為明顯。如圖4i中箭頭A所指區域較為光滑，該區域未發生變形，箭頭B所指區域粗糙度很明顯，說明相鄰薄壁細胞的細胞壁產生皺褶。利用Image-Pro Plus軟件提取細胞邊界，對變形后細胞與初始未變形細胞進行輪廓匹配，由圖4j可知，細胞在長軸方向發生明顯拉伸，短軸長度變化不明顯；對卸載后細胞與未受力變形細胞輪進行廓匹配，由圖4k可知，未受力細胞與卸載后細胞的輪廓差異較小，說明卸載后細胞發生了回彈。

圖3 細胞變形與加載位移的關系Fig.3 The relationship between cell deformation and displacementa.細胞長軸長度與加載位移的關系The relationship between parenchyma cell length and displacement during cyclic loading-unloading；b.細胞短軸長度與加載位移的關系The relationship between parenchyma cell width and displacement during cyclic loading-unloading.

圖4 細胞形態變化示意Fig.4 Cell morphological changesa.未變形細胞；b.加載位移為1.8 mm的細胞；c.加載至1.8 mm處卸載后的細胞；d.未變形細胞與未變形細胞匹配示意；e.未變形細胞與加載位移為0.2 mm細胞匹配示意；f.未變形細胞與加載位移為0.6 mm細胞匹配示意；g.未變形細胞與加載位移為1.0 mm細胞匹配示意；h.未變形細胞與加載位移為1.4 mm細胞匹配示意；i.未變形細胞與加載位移為1.8 mm細胞匹配示意；j.未變形細胞與加載位移為1.8 mm細胞輪廓匹配示意；k.未變形細胞與加載位移為1.8 mm卸載后的細胞輪廓匹配示意。黑色輪廓為未變形細胞，紅色輪廓為變形后細胞。a.The parenchyma cell before bending;b.The parenchyma cell after bending at the displacement of 1.8 mm;c.The unloading cell;d.The matched diagram between the same cell without load;e.The matched diagram between a and cell at the displacement of 0.2 mm;f.The matched diagram between a and cell at the displacement of 0.6 mm;g.The matched diagram between a and cell at the displacement of 1.0 mm;h.The matched diagram between a and cell at the displacement of 1.4 mm;i.The matched diagram between a and cell at the displacement of 1.8 mm;j.The matched outline between a and b;k.The matched outline between a and c.The black outline and red outline are the cell before and after bending,respectively.

圖5 試樣的載荷-位移曲線Fig.5 The load-displacement curve of sample

圖6 試樣彎曲應力與薄壁組織和薄壁細胞應變的關系Fig.6 The sample stress-strain curves of parenchyma and parenchyma cell under bending

圖7 細胞回彈率與加載位移的關系Fig.7 The relationship between cell recovery and displacement

2.2 彎曲過程中竹篾的力學性能

由圖5可知，當加載位移為0～0.6 mm(前2個階段)時，試樣的載荷和位移呈線性變化，試樣發生彈性變形；隨后載荷和位移呈非線性變化，試樣開始發生塑性變形。

由圖6可知，在同一加載狀態下，薄壁細胞長軸的應變大于短軸，說明薄壁細胞在長軸方向發生了更大變形。在試樣破壞前，細胞長軸和短軸發生的最大應變分別為1.03%和0.71%。薄壁細胞長軸的應變大于薄壁組織，薄壁組織發生的最大應變為0.72%。

2.3 彎曲過程中受拉層薄壁細胞回彈率的變化

由圖7可知，在循環加載-卸載過程中，試樣從加載位置卸載到初始位置時，細胞長軸和短軸均發生回彈，隨著試樣發生的加載位移逐漸增大，細胞長軸和短軸發生的回彈率逐漸減小。這可能是由于：1) 組織之間的界面使得薄壁細胞無法完全回彈。據安曉靜(2013)研究，各組織之間的弱界面對力學性能有影響，組織之間的弱界面可能降低了薄壁細胞的回彈率。2) 作為一種黏彈性材料，竹材存在延遲彈性變形現象，細胞回彈需要一定時間，所以薄壁細胞不能完全回彈，且回彈率隨著加載位移增大而逐漸降低。在試樣破壞前，薄壁細胞長軸和短軸的回彈率分別為30.96%.和5.93%。在同一加載狀態下，細胞長軸發生的回彈大于短軸，說明薄壁細胞長軸方向的彈性大于短軸。

3 結論

采用Image-Pro Plus軟件對細胞進行分析，可直接觀察細胞變形。在彎曲過程中，隨著載荷增加，在竹篾試樣未被破壞前，受拉層薄壁細胞在水平方向上被拉伸，在短軸方向上有輕微壓縮。受拉層薄壁細胞在長軸方向上的應變大于短軸，長軸的回彈率比短軸高。當試樣發生彎曲變形時，相鄰薄壁細胞的細胞壁產生褶皺變形。