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复合材料因其优异的性能而受到广泛关注，韧性是建筑材料的重要力学性能，对新型建筑材料的发展和创新具有重要意义。竹材作为一种天然复合材料，具有良好的韧性，并因其低碳排放和环境友好性而受到越来越多的关注。目前，韧性评估方法主要针对准脆性材料，而层压竹材复合材料具有特殊的层状结构和各向异性，现有的评估方法可能存在误差。此外，层压竹材复合材料的增韧机制尚不明确，需要进一步研究。
近日，《Composite Structures》期刊发表了一篇由南京工业大学土木工程学院和浙江大学建筑工程学院的研究团队完成的有关层压竹材复合材料的韧性和能量评估比较研究及其增韧机制的研究成果。该研究比较了不同韧性评估方法在层压竹材复合材料中的应用，并揭示了双向层压竹材的增韧机制，为优化材料设计和提高其性能提供了理论依据。论文标题为“Comparative study of toughness and energy evaluation of laminated bamboo composites and toughening mechanism”。
该研究选取了三种双向层压竹材复合材料：交叉层压竹材 (cross-laminated bamboo；CLB)、胶合层压竹材 (glued laminated bamboo ；GLB) 和 H 形层压竹材 (H-shaped laminated bamboo；HLB)，以及一种单向层压竹材 (Unidirectional laminated bamboo；ULB) 作为对照组，以研究不同层压竹材的断裂韧性和增韧机制。实验采用三点弯曲梁试验，并利用数字图像相关 (DIC) 技术和扫描电子显微镜 (SEM) 对断裂行为进行分析。
图 1 三种双向层压竹材复合材料的制备
图 2 不同形式的层压竹材复合材料的横截面
研究发现，不同形式的层压竹材复合材料的下降段存在差异，但上升段基本重合。总体而言，初始刚度和最大载荷随着横向竹条体积比的增加而增加。此外，竹条的布置也会影响层压竹材的力学性能和断裂韧性。
图 3 断裂韧性试验的测试装置
研究人员采用线弹性断裂力学 (LEFM) 方法、双 K 断裂模型、JR 阻抗和基于 J 积分的方法对层压竹材复合材料的断裂韧性进行评估。研究发现，LEFM 方法和非 LEFM 方法在评估断裂韧性时存在误差，反映了复合材料在最大荷载前的非线性特性。双 K 断裂模型、JR 阻抗和基于 J 积分的方法可以有效地评估层压竹材的韧性，并取得相似的结果。
图4 不同层压竹材复合材料的初始能量释放率和不同裂纹扩展状态下的能量释放率。
图 5 基于材料结构的增韧机制解释。
研究结果表明，韧性评估方法的选择需要考虑材料的断裂特性和近端损伤区的影响。双向层压竹材的增韧机制主要包括层状结构中的裂纹偏转和不同纤维方向交替排列的竹材层。该研究为层压竹材复合材料的韧性和能量性能评估提供了新的思路和方法，并揭示了双向层压竹材的增韧机制，为优化材料设计和提高其性能提供了理论依据。
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