顯微CT在竹制植物纖維中的檢測方案

概 論

隨著竹編工藝的發(fā)展，各種復雜形狀的竹編工藝品，對竹條的柔韌性和強度都提出了更高的要求。在民間，靠著中國百姓的智慧，自然風干、火烤十幾秒、10%鹽水煮10分鐘等方法，均可提高竹條的柔韌性和強度。近年來，眾多學者也在實驗室通過各種實驗，研究提高竹條柔韌性和強度的有效方法，并取得了重大成果。

研 究 方 法

南京林業(yè)大學的陳紅等人，使用三英精密顯微CT nanoVoxel-3000系列設備開展了提高竹條柔韌性和強度的實驗研究。采用各種濃度NaOH溶液預處理的方法，將天然毛竹的竹條加工成具有更高拉伸強度的超柔竹條。利用顯微CT技術對竹條試樣進行了高分辨率的掃描測試，獲得試樣內部的纖維分布，指出了竹條內部的結構變化，進一步闡明堿處理背后竹條的強度和韌性增強機制。

主 要 成 果

將顯微CT的掃描結果經過軟件處理得到以下效果圖，可以清楚地觀察裂紋形狀、取向和大小和空間分布。結果表明：未經處理的竹條在輕度彎曲下，表面出現(xiàn)裂紋，裂紋會隨著施加彎曲力的增加而擴展，最終導致竹條斷裂，且裂縫很容易在垂直于纖維軸向的方向上擴展。對于處理過的竹條，盡管在劇烈彎曲下，竹條表面出現(xiàn)了更大的裂紋，但裂紋沿纖維軸向擴展，而不是垂直于軸向擴展。在彎曲作用下，處理過的竹條在裂縫附近有許多剪切帶（綠色箭頭所示），而在未處理的竹條中僅發(fā)現(xiàn)一兩個大裂縫（黃色箭頭所示）。

竹條彎曲不同位置徑向切片的顯微CT成像結果

(a) 彎曲竹條的位置，(b) 未處理的外竹，(c) 15% NaOH 處理的外竹，

(d) 未處理的內竹，(e) 15% NaOH 處理的內竹

同時，處理過和未處理過的竹條孔隙結構也不盡相同。如下圖所示，處理過的外竹條外周的薄壁組織細胞程度高于中間部分，形成密度梯度，且外周的密度高，應力大。與處理過的內竹條中相對均勻的結構相比，這種分級結構大大增強了處理過外竹條的抗彎剛度。在相同處理下，外竹條彎曲時比內竹條更難斷裂。

彎曲竹條橫截面的顯微CT成像結果

 (a) 未處理的外竹，(b) 15% NaOH 處理的外竹，(c) 未處理的內竹，(d) 15% NaOH 處理的內竹

結 論

高分辨率顯微CT掃描實現(xiàn)了試樣內部纖維狀態(tài)的三維可視化，揭示了不同堿濃度處理過的內、外竹條的柔韌性和拉伸性能，是一種研究植物纖維材料在不同堿濃度作用下微觀結構的有效方法，可將高分辨率CT成像技術應用于類似的科學研究中。