作为材料的组成物质或增强相,天然竹纤维本身的力学特性和变异程度却很少为人所知。作者以毛竹(Phyllostachys edulis)纤维细胞为主要研究对象,使用纳米压痕技术、单纤维拉伸技术、纤维束拉伸技术和传统的力学测试,首次从亚细胞水平、细胞水平、组织水平到宏观各个尺度,系统研究了毛竹纤维细胞的纵向力学性质,分析了影响力学性质的各种因素,重点考虑竹龄对毛竹纤维细胞力学性能的影响,并首次将毛竹纤维和马尾松(Pinus massoniana)木材纤维的细胞及细胞壁力学特性进行对比,以便揭示竹材结构设计和优良力学性能的本质,从而更加科学、合理的选择竹纤维原料,设计开发出高性能、高附加值的产品,促进生产工艺的不断更新,同时,也为竹材品质的基因改良和定向培育提供量化的目标和指标,丰富和推动我国木材科学理论体系的发展,具有非常重要的理论和实际意义。论文的主要研究结果如下:1.亚细胞水平上毛竹纤维的纵向力学性质(1)应用纳米压痕技术的研究结果表明,微管束不同位置处,毛竹纤维细胞壁的纵向弹性模量变化不大,以21或22 GPa为中线上下波动,但是,微管束的边缘,细胞壁的纵向弹性模量相对较小,为15.61 GPa,且变化不稳定;毛竹纤维细胞壁硬度的变化范围为0.4665-0.5603 GPa,从微管束中心向外呈逐渐减小趋势。(2)1月、2月、6月(0.5年)、18月(1.5年)竹龄的毛竹纤维细胞壁的纵向弹性模量相差不大。1月龄的弹性模量平均值与18月龄的相当,达到21.51 GPa。毛竹纤维细胞壁的硬度随竹龄呈增加趋势,变化范围为0.4673-0.6022 GPa,且在0.01水平上差异显著。2.细胞水平上毛竹纤维的纵向力学性质(3)应用单纤维拉伸技术的测定结果表明,室温下气干毛竹单纤维的荷载位移曲线为近乎完美的直线,无明显的塑性屈服,呈现典型的脆性断裂,断口形貌分为多级脱层断裂和近齐口断裂,两种模式在不同竹龄中均有分布,以多级脱层断裂为主。(4)对于0.5、1.5、2.5、4.5、6.5、8.5年竹龄的毛竹纤维,纵向抗拉强度和弹性模量在竹龄间变化不大,总体平均值分别为1543.77 MPa和33.86 GPa,平均破坏应变在竹龄间的变化相对集中,在3.63%到5.74%之间,平均值为4.85%。(5)毛竹纤维细胞壁的纵向力学特性在0.5年时已经达到力学上的成熟。3.毛竹与马尾松纤维细胞及细胞壁力学性质对比(6)毛竹单纤维平均抗拉强度和弹性模量均高出马尾松单纤维一半以上,展现出良好的高强、高弹、高变形性能。毛竹单纤维的断裂应变比马尾松高,拉断后的断口形貌以多级脱层为主,而马尾松幼龄材以不规则的撕裂型断口为主,成熟材多展现平整的横向断口。毛竹纤维次生壁的弹模和硬度优于马尾松,两者的差距达到10%左右。两者力学性质的差异与微纤丝角和细胞壁结构高度相关。4.毛竹纤维束的纵向力学性质(7)毛竹纤维束的荷载位移曲线与单纤维的相似,为直线性脆性断裂。毛竹纤维束的平均抗拉强度为461.03 MPa,平均弹性模量为37.74 GPa,两者的变异系数约25%;断裂时的平均应变为1.27%。5.毛竹纤维与宏观力学性质的关系(8)毛竹宏观薄片的应力应变曲线分布较为分散,为脆性断裂。竹壁径向不同位置的力学性质差异很大,近竹青处的力学性质远远高于近竹黄处,这与毛竹纤维含量的梯度分布高度相关。近竹青处薄片的断口为沿顺纹理的纵向劈裂,竹中处的断口呈现参差不齐的劈裂特征,近竹黄处的断口为相对整齐的横向断裂。(9)宏观薄片的平均抗拉强度和弹性模量数值占纤维束数值的三分之一左右。纤维束的平均抗拉强度和破坏应变分别占纤维细胞的29.83%和26.19%,平均弹性模量基本相当。根据毛竹宏观薄片的试验数据和细观力学混合定律推算出的纤维束的抗拉强度和弹性模量分别为651.506 MPa和52.0185 GPa,其数值高于纤维束力学性质实测值,薄壁细胞基本组织的抗拉强度和弹模分别为16.956 MPa和0.8685 GPa。(10)高强的纤维或纤维束是毛竹材优良的增强相,薄壁细胞组成的基本组织能够很好的吸收、传递、均布荷载,两者共同作用使毛竹力学特性优良,为设计绝妙的天然纤维基复合材料。