植物纤维中微观结构检测方案(工业CT)

智能文字提取功能测试中

用户论文 | 显微CT助竹编工艺精妙绝伦 引子： “小背篓，晃悠悠…”一首《小背篓》不仅唱红了湘西，也让湘西的竹编工艺进入了大众的视野。湘西竹编制作技艺历史久远，是传统手工艺的典型代表，它主要分布在永顺县芙蓉、小溪、朗溪、永茂、石堤、砂坝、万坪等乡镇。永顺的竹编技艺，自古以来都是篾匠一代代口传身授，在实践中逐渐掌握编织技巧的。如今，竹编工艺经过无数代艺人的传承和发展，形成了自己的独特风格。 （图片来自网络） 概论： 随着竹编工艺的发展，各种复杂形状的竹编工艺品，对竹条的柔韧性和强度都提出了更高的要求。在民间，靠着中国百姓的智慧，自然风干、火烤十几秒、10%盐水煮10分钟等方法，均可提高竹条的柔韧性和强度。近年来，众多学者也在实验室通过各种实验，研究提高竹条柔韧性和强度的有效方法，并取得了重大成果。 研究方法： 南京林业大学的陈红等人，开展了提高竹条柔韧性和强度的实验研究。采用各种浓度NaOH溶液预处理的方法，将天然毛竹的竹条加工成具有更高拉伸强度的超柔竹条。利用显微CT技术对竹条试样进行了高分辨率的扫描测试，获得试样内部的纤维分布，指出了竹条内部的结构变化，进一步阐明碱处理背后竹条的强度和韧性增强机制。 主要成果： 将显微CT的扫描结果经过软件处理得到以下效果图，可以清楚地观察裂纹形状、取向和大小和空间分布。结果表明：未经处理的竹条在轻度弯曲下，表面出现裂纹，裂纹会随着施加弯曲力的增加而扩展，最终导致竹条断裂，且裂缝很容易在垂直于纤维轴向的方向上扩展。对于处理过的竹条，尽管在剧烈弯曲下，竹条表面出现了更大的裂纹，但裂纹沿纤维轴向扩展，而不是垂直于轴向扩展。在弯曲作用下，处理过的竹条在裂缝附近有许多剪切带（绿色箭头所示），而在未处理的竹条中仅发现一两个大裂缝（黄色箭头所示）。 竹条弯曲不同位置径向切片的显微CT成像结果 (a) 弯曲竹条的位置，(b) 未处理的外竹，(c) 15% NaOH 处理的外竹， (d) 未处理的内竹，(e) 15% NaOH 处理的内竹 同时，处理过和未处理过的竹条孔隙结构也不尽相同。如下图所示，处理过的外竹条外周的薄壁组织细胞萎缩程度高于中间部分，形成密度梯度，且外周的密度最高，应力最大。与处理过的内竹条中相对均匀的结构相比，这种分级结构大大增强了处理过外竹条的抗弯刚度。在相同处理下，外竹条弯曲时比内竹条更难断裂。 弯曲竹条横截面的显微CT成像结果 (a) 未处理的外竹，(b) 15% NaOH 处理的外竹，(c) 未处理的内竹，(d) 15% NaOH 处理的内竹 结论： 高分辨率显微CT扫描实现了试样内部纤维状态的三维可视化，揭示了不同碱浓度处理过的内、外竹条的柔韧性和拉伸性能，是一种研究植物纤维材料在不同碱浓度作用下微观结构的有效方法，可将高分辨率CT成像技术应用于类似的科学研究中。 概 论随着竹编工艺的发展，各种复杂形状的竹编工艺品，对竹条的柔韧性和强度都提出了更高的要求。在民间，靠着中国百姓的智慧，自然风干、火烤十几秒、10%盐水煮10分钟等方法，均可提高竹条的柔韧性和强度。近年来，众多学者也在实验室通过各种实验，研究提高竹条柔韧性和强度的有效方法，并取得了重大成果。研 究 方 法南京林业大学的陈红等人，使用三英精密显微CT nanoVoxel-3000系列设备开展了提高竹条柔韧性和强度的实验研究。采用各种浓度NaOH溶液预处理的方法，将天然毛竹的竹条加工成具有更高拉伸强度的超柔竹条。利用显微CT技术对竹条试样进行了高分辨率的扫描测试，获得试样内部的纤维分布，指出了竹条内部的结构变化，进一步阐明碱处理背后竹条的强度和韧性增强机制。主 要 成 果将显微CT的扫描结果经过软件处理得到以下效果图，可以清楚地观察裂纹形状、取向和大小和空间分布。结果表明：未经处理的竹条在轻度弯曲下，表面出现裂纹，裂纹会随着施加弯曲力的增加而扩展，最终导致竹条断裂，且裂缝很容易在垂直于纤维轴向的方向上扩展。对于处理过的竹条，尽管在剧烈弯曲下，竹条表面出现了更大的裂纹，但裂纹沿纤维轴向扩展，而不是垂直于轴向扩展。在弯曲作用下，处理过的竹条在裂缝附近有许多剪切带（绿色箭头所示），而在未处理的竹条中仅发现一两个大裂缝（黄色箭头所示）。竹条弯曲不同位置径向切片的显微CT成像结果(a) 弯曲竹条的位置，(b) 未处理的外竹，(c) 15% NaOH 处理的外竹，(d) 未处理的内竹，(e) 15% NaOH 处理的内竹同时，处理过和未处理过的竹条孔隙结构也不尽相同。如下图所示，处理过的外竹条外周的薄壁组织细胞萎缩程度高于中间部分，形成密度梯度，且外周的密度最高，应力最大。与处理过的内竹条中相对均匀的结构相比，这种分级结构大大增强了处理过外竹条的抗弯刚度。在相同处理下，外竹条弯曲时比内竹条更难断裂。弯曲竹条横截面的显微CT成像结果 (a) 未处理的外竹，(b) 15% NaOH 处理的外竹，(c) 未处理的内竹，(d) 15% NaOH 处理的内竹结 论高分辨率显微CT扫描实现了试样内部纤维状态的三维可视化，揭示了不同碱浓度处理过的内、外竹条的柔韧性和拉伸性能，是一种研究植物纤维材料在不同碱浓度作用下微观结构的有效方法，可将高分辨率CT成像技术应用于类似的科学研究中。