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 在運輸、土木工程、建筑、汽車應用和航空航天中，現代制造業迫切需要輕質而結實的結構材料。為了滿足這些需求，科學家和工程師開發了一系列具有出色機械性能的出色材料，例如基于石油產品的材料（例如，碳纖維，碳納米管，和石墨烯），陶瓷以及金屬和合金。然而，大多數合成的高強度材料需要復雜且成本高的制造工藝（例如碳纖維），產生不利的環境影響（例如鋼，合金）或對于許多應用而言太重。此外，強度和韌性這兩個關鍵的結構特性在結構材料設計中往往是相互排斥的。

最近，馬里蘭大學的胡良兵教授團隊在《Advanced Materials》上發表了題為“A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo”的文章，報告了一種簡便且經濟高效的自上而下的方法，以制備具有高達1 GPa抗拉強度和400 MPa抗彎強度的質輕而堅固的塊狀致密竹。他們通過部分除去木質素和半纖維素，然后熱壓，使竹致密化。長的取向纖維素微纖絲具有顯著增加的氫鍵，并在致密的竹結構中大大減少了結構缺陷，這有助于其較高的機械拉伸強度，彎曲強度和韌性。致密竹子中木質纖維素的低密度導致了比強度達到777 MPa·cm 3·g-1，這明顯高于其他報道的竹子材料和大多數結構材料（例如，天然聚合物，塑料，鋼和合金）。這項工作表明，利用豐富，快速生長且可持續的竹子可以大規模生產輕質和結實的結構材料。

圖文導讀

圖1A顯示了自上而下方法的示意圖，該方法通過壓扁、去木質和熱壓工藝將天然管狀竹直接轉變為塊狀致密竹。在化學處理之前，每輪竹莖用線性切口除去內部節段，用高壓蒸汽軟化，并用臥式壓制機壓成塊狀竹材。然后對扁平的塊狀竹子進行化學處理，以從木質纖維素細胞壁中部分除去木質素和半纖維素，從而導致纖維素纖維的良好排列結構膨脹和軟化。在熱壓時，薄壁組織細胞和垂直于生長方向的竹細胞結構內腔被完全壓縮，從而形成了一塊致密的竹片，其厚度減少了70％。致密的竹子具有創紀錄的高達1 GPa的高抗張強度，超過了各種木材天然材料、工程鋼和高強度金屬合金，甚至是他們報告的最近開發的超強致密木（圖1B）。 竹子是地球上生長最快的植物之一，其峰值生長速率高達每天100厘米，遠遠快于所有木材（通常為每天0.1-0.4厘米）（圖1C）。

圖1. A）天然竹向致密竹的轉化示意圖。B）與其他天然材料，工程鋼和高強度金屬合金相比，致密竹子的比抗張強度與比剛度的關系。C）典型的竹子和各種木材的生長速度。

竹子具有異質結構。未加工的竹子主要由高剛性的纖維束和較低密度的薄壁組織細胞組成。SEM成像顯示纖維束高度取向并平行于生長方向，而薄壁組織細胞平行或垂直于生長方向（圖2A）。纖維束，薄壁組織細胞和導管通過由木質素和半纖維素組成的低強度聚合物基質相互粘附。天然竹結構存在明顯的內在缺陷，例如沿生長方向的導管，纖維縱壁上的凹坑孔（圖2B）和多孔薄壁組織（圖2C）。他們沿徑向（平行于纖維生長）方向施加機械壓縮，以將脫木質素的竹子壓縮為致密結構，厚度減少約70％（圖2D）。致密的竹子中沒有明顯的凹坑和薄壁組織完全塌陷（圖2E，F）表明層次結構已被完全壓縮。作為這種壓縮結構的結果，在機械壓縮過程之后形成的取向纖維之間應增強氫鍵結合，這使得被壓縮的竹子更堅固。化學處理后去除木質素和半纖維素的有效性如圖2G所示。經過脫木素處理后，致密的竹樣品主要由纖維素組成，幾乎沒有半纖維素或木質素含量。天然竹和致密竹的傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）分析表明，歸屬于半纖維素和木質素的竹官能團在去木質素過程中被部分去除，總重量減少了39.3％（圖2H）。致密竹子的小角度X射線散射（SAXS）圖樣（圖2I）表明剩余的纖維素纖維排列良好，這極大地促進了相鄰纖維素分子鏈之間氫鍵和范德華力的形成。完全壓縮的結構還導致密度從0.80增加到1.35 g cm−3（圖2J）。

圖2.天然和致密竹子的結構特征。A）天然竹縱剖面的SEM圖像。B）纖維縱向壁上凹坑結構的放大SEM圖像。C）天然竹的薄壁組織細胞的放大SEM圖像。D）致密竹縱截面的SEM圖像。E）致密竹纖維縱向壁的放大SEM圖像。F）致密竹子的薄壁組織細胞的放大SEM圖像。G）天然和致密竹的纖維素，半纖維素和木質素含量。H）天然和致密竹的FT-IR光譜。I）致密竹的SAXS圖案。J）天然和致密竹的密度。

他們研究了經過脫木素和熱壓處理的竹子的機械性能。圖3A，D分別顯示了拉伸試驗后的天然和致密竹樣品的照片。竹子的斷裂特性取決于斷裂的起點：基質區域和纖維區域。與天然竹的脆性斷裂不同，致密化的竹在其斷裂表面顯示出裂開的厚壁組織纖維。致密的竹子由密集的纖維和塌陷的薄壁細胞壁組成。當承受軸向拉伸載荷時，微裂紋在最弱的點開始。隨著載荷的增加，致密竹子中的密集纖維在承載載荷橋接和抑制裂紋擴展方面起著重要的作用。相應的拉伸應力-應變曲線如圖3B所示。天然竹在拉伸破壞前表現出線性變形，拉伸強度為298 MPa。同時，致密的竹子最初表現出線性行為，但是一旦應力超過線性極限就變成非線性。另外，獲得了顯著更高的770 MPa的拉伸強度，是天然竹材的258％。致密的竹子的拉伸模量也提高了310％（圖3C）。眾所周知，纖維素纖維在竹樣品的拉伸性能中起決定性作用，因為纖維素纖維的剛度（167.5 GPa）比半纖維素（4.0 GPa）和木質素（2.0 GPa）的剛度大40倍。

他們還研究了竹樣品不同部分的拉伸強度。將天然竹子沿徑向從外到內分為兩部分，并轉變為致密的竹子。經過脫木素和熱壓處理后，致密竹的密度變得更均勻，因為致密竹的內部增加到1.30±0.02 g cm−3，外部增加到1.37±0.02 g cm−3，天然竹子外部的抗張強度為361 MPa，而致密的竹子外部表現出創紀錄的1.05 GPa的高抗張強度，是天然竹子的近三倍（圖3E，F）。質輕且致密的外層竹子比其他天然材料（莖，硬木和軟木）和合成聚合物（聚碳酸酯，聚苯乙烯，尼龍6和聚鄰苯二甲酰胺）的拉伸強度更高，甚至比金屬和高強度合金更高（圖3G）。

圖3. A）拉伸試驗后的天然竹照片。B）天然竹和致密竹的拉伸應力-應變曲線。C）天然竹和致密竹的拉伸強度和拉伸模量。D）拉伸試驗后的致密竹照片。D）天然外竹和致密外竹的拉伸應力-應變曲線。F）天然外竹和致密外竹的拉伸強度和拉伸模量。G）將致密外竹（1008±50 MPa）與天然材料，廣泛使用的聚合物基材料和高強度金屬合金的拉伸強度進行比較。

彎曲強度是竹基工程結構材料的另一個重要性能。圖4A顯示了三點彎曲測試的示意圖。載荷從內部到外部施加到竹的縱向-橫向表面上。如圖4B所示，在破壞之前，天然竹樣品表現了大位移，并且在增加載荷的過程中，致密竹表現出更寬的線性范圍。天然竹和致密竹的抗彎強度分別為148和327 MPa。與傳統的結構材料不同，致密的竹子具有極高的極限拉伸強度和彎曲強度，與天然竹相比強度和模量分別提高了220％和390％（圖4C）。 另外，由于彎曲的竹纖維的高拉伸強度，彎曲后的致密竹條在彎曲后完全恢復了（圖4D）。天然竹（和致密的竹均顯示經過100次彎曲后具有出色的耐久性，這表明即使在致密化過程之后，天然竹子仍具有出色的結構穩定性。比較竹樣品不同部分的抗彎強度時，致密的外竹具有較高的抗彎強度，為404 MPa，模量為46.5 GPa，這是因為竹的外部纖維含量較高（圖4E，F）。對于相同的橫截面尺寸，在彎曲測試斷裂后觀察到天然和致密竹樣品的不同破壞模式（圖4G）。天然竹樣品的底面有明顯的斷裂，而在致密的竹中沒有發現裂紋。

圖4. A）通過從內部區域到外部區域的載荷對天然竹（i）和天然外竹（ii）進行三點彎曲測試的示意圖。B）天然竹和致密竹從內到外的三點彎曲應力-應變曲線。C）天然和致密竹的彎曲強度和模量。D）致密竹子彎曲和恢復過程的照片。E）天然外竹和致密外竹從內到外的三點彎曲應力-應變曲線。F）天然外竹和致密外竹的彎曲強度和彎曲模量。G）天然竹，致密竹，天然外竹和致密外竹的斷裂的SEM圖像。比例尺：1 mm H）可大規模制造尺寸為82 cm×22 cm×0.9 cm的塊狀竹子。