基于三維顯微成像的毛竹橫截面結(jié)構(gòu)表征

陳海鳥， 田 偉， 金肖克， 張紅霞， 李艷清， 祝成炎

(浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

毛竹是自然界中具有良好力學(xué)性能的典型植物之一，可視其為具有優(yōu)越力學(xué)性能的纖維素結(jié)構(gòu)天然復(fù)合材料[1-2]，毛竹特殊的節(jié)間空心結(jié)構(gòu)和內(nèi)部梯度分布特點使其擁有良好的整體構(gòu)造[3]，因此，具有優(yōu)異的柔韌性、剛性、抗拉強度[4]。毛竹優(yōu)異的力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)的合理分布息息相關(guān)。洗杏娟等[5]研究發(fā)現(xiàn)，維管束厚壁細(xì)胞沿軸向排列對竹材力學(xué)性能貢獻(xiàn)最大，使竹材具有高的強度和剛度。Widjaja等[6]研究發(fā)現(xiàn),毛竹內(nèi)部結(jié)構(gòu)對竹材抗彎強度、抗壓強度和抗拉強度有巨大的貢獻(xiàn)。毛竹的結(jié)構(gòu)特征使其具備良好的力學(xué)性能，同時啟發(fā)研究者將毛竹結(jié)構(gòu)分布特點應(yīng)用于仿生學(xué)研究。根據(jù)毛竹中的維管束結(jié)構(gòu)沿管壁軸向分布且直徑增大、數(shù)目減少的特點，人們設(shè)計并改進(jìn)了復(fù)合材料管材[7]、承重拉桿[8]、薄壁管[9]等，仿竹結(jié)構(gòu)的設(shè)計可在一定程度上提高材料的強度和剛度。

毛竹結(jié)構(gòu)在內(nèi)外表面的梯度分布不僅降低了毛竹質(zhì)量，還提升了彎曲剛度，同時在應(yīng)對外力載荷時能起到吸收能量的作用[10]。傳統(tǒng)的纖維增強管狀復(fù)合材料具備良好的力學(xué)性能，但要在輕量化、抗彎強度、高比強度和高比模量方面有所突破，需要嘗試在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計中賦予纖維與樹脂結(jié)構(gòu)變化。常見的纖維增強管狀復(fù)合材料纖維與樹脂均勻排布，結(jié)構(gòu)較為單一。毛竹作為天然的管狀復(fù)合材料，具備高比強度、比模量、輕質(zhì)高強的優(yōu)點[11]，借鑒毛竹的結(jié)構(gòu)特征，對纖維增強管狀復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使纖維的分布密度、排列形式和樹脂基體排列等發(fā)生變化，有望獲得全新的復(fù)合材料。

毛竹的仿生研究是基于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律。常見的透視檢測技術(shù)有超聲波檢測、X射線檢測、核磁共振檢測等。超聲波檢測穿透能力強，但對形狀比較不規(guī)則的或者是非均質(zhì)材料的檢查不夠精確；核磁共振能進(jìn)行多方位成像，但檢測不如X射線敏感，且用時較長。X射線三維顯微鏡(顯微CT)檢測適應(yīng)性強，能適應(yīng)不同形狀組成的樣品，具有強大的細(xì)節(jié)分辨能力。近年來，X射線三維顯微鏡被廣泛地應(yīng)用于巖石開裂特性[12]、巖芯孔隙[13]、陶器樣品微觀結(jié)構(gòu)[14]、土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)[15]和復(fù)合材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)[16]等生物、材料、礦石等研究領(lǐng)域，技術(shù)較為成熟，其能清晰地展現(xiàn)測試樣品的孔隙特征和三維結(jié)構(gòu)，這與毛竹多孔基體包覆結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性。為此，本文采用X射線三維顯微鏡對毛竹的橫截面進(jìn)行分析，研究毛竹的維管束和薄壁細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征和變化規(guī)律，以期為仿竹復(fù)合材料的設(shè)計提供一定參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

針對不同部位和年份的毛竹，向娥林[17]研究發(fā)現(xiàn)，不同竹齡(10 d、30 d、0.5 a、1 a、3 a、5 a)的毛竹隨著竹竿老化成熟，維管束尺寸逐漸增大且分布稀疏，在30 d至5 a后基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，同時維管束形態(tài)在成熟期保持穩(wěn)定。針對不同生長期的毛竹進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同竹齡的成熟毛竹結(jié)構(gòu)特點相似。對毛竹上、中、下部的維管束的研究發(fā)現(xiàn)，不同竹齡的毛竹在徑向上維管束分布密度都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢?；谘芯咳藛T對毛竹維管束的研究，年份、部位的變化帶來了維管束體積分?jǐn)?shù)總量上的差異，但沒有造成基本結(jié)構(gòu)特征的變化[18-19]，因此，本文選取了江蘇鎮(zhèn)江毛竹，2 a生，生長發(fā)育良好，取中段部位，沿毛竹軸向切取樣品，考慮到樣品固定方便和獲取圖像的高分辨率，將樣品制作成約為0.2 cm×0.2 cm×1 cm的長方體。

1.2 測試方法

本文采用美國蔡司公司生產(chǎn)的610/Xradia610Versa X射線三維顯微鏡，該系統(tǒng)使用獨特的二級放大技術(shù)，即幾何放大和光學(xué)放大成像，最終由高靈敏度高分辨率CCD相機獲得數(shù)字圖像，其原理如圖1[20]所示。

圖1 X射線三維顯微鏡光學(xué)放大原理Fig.1 Optical magnification principle of X-ray three-dimensional microscope

1.2.1 X射線三維顯微鏡掃描及三維圖像重構(gòu)

將制好的毛竹樣品固定在X射線三維顯微鏡的載物臺上，掃描開始時試樣隨樣品臺轉(zhuǎn)動，由左側(cè)光源處發(fā)射X射線，其穿透樣品臺上的試樣，經(jīng)閃爍片、放大器及快速CCD相機，由數(shù)據(jù)軟件處理實現(xiàn)對試樣結(jié)構(gòu)高精度成像，成像精度達(dá)到微米級。其重構(gòu)過程為利用一次圓周掃描獲取系列透視圖像，然后采用相應(yīng)重建算法，使重建樣品區(qū)域為吸收系數(shù)u的三維分布。

1.2.2 維管束和薄壁細(xì)胞面積測定

利用Image-pro plus6.0圖像分析軟件對毛竹截面進(jìn)行選區(qū)染色，染色后使維管束與薄壁細(xì)胞之間的界限更加明顯，根據(jù)截面圖像的比例尺設(shè)定標(biāo)尺，最后測量面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 毛竹結(jié)構(gòu)形態(tài)分析

毛竹樣品經(jīng)X射線三維顯微鏡重構(gòu)后形成立體圖像，重構(gòu)后三維圖像上主要分布有2種顯示亮度的組分，如圖2所示。分別是亮度較低的孔隙部分和亮度較高的陰影部分。從圖2可以看出，毛竹立體結(jié)構(gòu)為三維包覆結(jié)構(gòu)，與其天然纖維素復(fù)合材料的結(jié)論一致。初步觀察可見，圖中有2種形態(tài)的孔隙結(jié)構(gòu)，較小孔隙位于柱體四周，較大孔隙位于截面表面。

圖2 毛竹三維重構(gòu)圖Fig.2 Three-dimensionsal reconstruction of moso bamboo

毛竹節(jié)間橫截面的X射線三維顯微鏡圖像(重構(gòu)圖像的上表面)如圖3(a)所示。

圖3 毛竹橫截面及其定義Fig.3 Cross-section of bamboo and its definition. (a) Bamboo cross-section image;(b) Definition of components of moso bamboo

由圖3(a)可以看出，毛竹橫截面主要由維管束和基本薄壁組織組成，其中維管束是由高度木質(zhì)化的纖維鞘(纖維細(xì)胞)、導(dǎo)管孔和多孔相結(jié)構(gòu)組成?；颈”诮M織則由大量薄壁細(xì)胞排列構(gòu)成，如圖3(b)所示。可將毛竹維管束、薄壁細(xì)胞包覆結(jié)構(gòu)視為以維管束為纖維增強體、薄壁組織為樹脂基體的纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。其中維管束是毛竹的主要力學(xué)承重結(jié)構(gòu)，薄壁細(xì)胞起到填充和應(yīng)力緩沖的作用。

2.2 維管束分布規(guī)律

維管束是毛竹主要的力學(xué)承重結(jié)構(gòu)，在仿竹復(fù)合材料研究中的應(yīng)用最為廣泛，主要研究內(nèi)容為維管束在毛竹徑向上的結(jié)構(gòu)變化，即沿維管束的形態(tài)變化、面積大小變化和體積分?jǐn)?shù)變化。維管束呈連續(xù)纖維狀，通常將維管束視為纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的纖維部分，通過分析維管束的分布規(guī)律可獲得纖維在復(fù)合材料中的分布。

2.2.1 維管束長短軸變化規(guī)律

將圖3(a)中的維管束形態(tài)利用IPP6.0進(jìn)行染色處理，截取維管束部分，利用Adobe IIIustrator對處理后的圖像重繪并細(xì)化處理，得到維管束截面圖像如圖4所示。圖中白色和灰色孔狀結(jié)構(gòu)均為導(dǎo)管孔，其中灰色部分在原圖中顯示較為模糊。

圖4 維管束分布圖Fig.4 Vascular bundle distribution diagram

毛竹橫截面維管束存在2種形態(tài)，半開放型維管束和開放型維管束，如圖5所示。將維管束的橫向定義為短軸，縱向定義為長軸。根據(jù)維管束的形態(tài)差異可將毛竹竹壁分為內(nèi)外兩側(cè)，其中開放型位于橫截面的內(nèi)側(cè)，半開放型位于橫截面的外側(cè)。從圖可以看出，由外到內(nèi)維管束形態(tài)逐漸由半開放型向開放型過渡。半開放型維管束呈2瓣結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)分為2部分，上部為單獨纖維鞘，下部纖維鞘抱合在一起。開放型維管束為4瓣結(jié)構(gòu)，4個纖維鞘呈現(xiàn)分離態(tài)。

圖5 毛竹維管束由外到內(nèi)形態(tài)變化Fig.5 Vascular bundle of moso bamboo changes from outside to inside

從整體變化趨勢上看，半開放型維管束的平均長軸長度大于開放型維管束的，但與短軸均值相比則較小。結(jié)合維管束內(nèi)外形態(tài)分析，由于維管束2瓣結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)上下分離、左右抱合狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)拉長長軸距離的同時縮短了短軸距離。當(dāng)維管束過渡為4瓣結(jié)構(gòu)，4個纖維鞘相互獨立時，維管束左右方向上短軸變長，上下2瓣向中心靠攏使長軸變短。內(nèi)外兩側(cè)維管束長短軸平均比值分別為1.039 6和1.332 0。由竹璧外側(cè)到內(nèi)側(cè)，維管束長軸均值由0.35 μm增大到0.41 μm，短軸均值由0.47 μm減小到0.43 μm。

維管束長軸逐漸變小，短軸逐漸變大，最后長短軸趨于一致，且形態(tài)逐漸穩(wěn)定為4瓣結(jié)構(gòu)。對于仿生復(fù)合材料而言，維管束的長短軸形態(tài)變化在纖維上表現(xiàn)為纖維截面的變化?？梢酝ㄟ^在復(fù)合材料的內(nèi)外兩側(cè)采用不同截面的纖維來實現(xiàn)類似于維管束長短軸變化。

2.2.2 維管束組分分布規(guī)律

在纖維增強復(fù)合材料設(shè)計中，通常將維管束看成是長纖維，因此，維管束組分分布規(guī)律的研究將為復(fù)合材料中纖維的排列提供一定參考。維管束的面積主要是由纖維相(纖維鞘和多孔相結(jié)構(gòu))和導(dǎo)管面積組成的[21]。在竹壁組織中，維管束是決定毛竹力學(xué)性能的主要成分[22]。而纖維相又是維管束的重要力學(xué)結(jié)構(gòu)單元，所以纖維相的面積占比影響著毛竹的力學(xué)性能。導(dǎo)管則是由一種死亡的只有細(xì)胞壁的細(xì)胞構(gòu)成，呈上下貫穿結(jié)構(gòu)。本節(jié)主要研究維管束的變化規(guī)律，從維管束的面積分布和體積分?jǐn)?shù)2個方面進(jìn)行分析。維管束基本面積公式為：維管束面積=纖維相面積+導(dǎo)管面積。

2.2.2.1維管束面積及其分布規(guī)律 本文橫截面中共有15個完整的維管束結(jié)構(gòu)，根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)將其分為半開放型維管束(位于外側(cè))和開放型維管束(位于內(nèi)側(cè))。結(jié)合維管束形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，2瓣結(jié)構(gòu)向4瓣結(jié)構(gòu)過渡過程中維管束形態(tài)發(fā)生改變，面積隨著形態(tài)的變化發(fā)生變化。每個單獨的維管束中共有3個導(dǎo)管孔，外觀呈橢圓形。表1示出竹壁內(nèi)外兩側(cè)維管束和導(dǎo)管的面積，開放型維管束中的維管束與導(dǎo)管面積均大于半開放型中的面積。開放型維管束導(dǎo)管面積范圍變化小，大小較均勻，單個面積占維管束面積不到十分之一。維管束面積和導(dǎo)管面積由外到內(nèi)呈增大趨勢。

表1 維管束和導(dǎo)管面積均值Tab.1 Mean area of vascular bundle and vessel mm2

纖維相結(jié)構(gòu)是維管束主要力學(xué)結(jié)構(gòu)單元，探究由外到內(nèi)纖維相面積占比的變化，從而得到其在維管束內(nèi)總體的變化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)半開放型維管束中纖維相面積占比大于0.87，大于開放型維管束中該部分面積占比0.82?？傮w上看，纖維相占維管束的絕大部分，是維管束最主要的成分。

在設(shè)計纖維增強復(fù)合材料時，維管束視為復(fù)合材料的纖維增強體部分，由外到內(nèi)面積呈增大趨勢，在復(fù)合材料中由外到內(nèi)纖維直徑應(yīng)該逐漸增大。

2.2.2.2維管束體積分?jǐn)?shù)及中心軸距變化 為量化2個維管束間的距離變化，將維管束中心軸距定義為相鄰2個維管束間其長短軸交點的距離。以維管束的體積分?jǐn)?shù)和中心軸距為指標(biāo)，將橫截面圖像由外到內(nèi)均勻分為4個區(qū)域(圖6(a)中A為起始點))，作出由外到內(nèi)變化趨勢如圖6(b)所示。

圖6 維管束各區(qū)域及變化Fig.6 Vascular bundle area and variation. (a) Sectional area distribution; (b) Variation of vascular bundle volume fraction and wheelbase

由圖6可知，維管束由外到內(nèi)體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，相鄰維管束中心軸距逐漸增大，在截面圖上呈現(xiàn)維管束逐漸稀疏趨勢，2個維管束間薄壁細(xì)胞面積逐漸增多。

維管束的體積分?jǐn)?shù)、軸距的變化證實了毛竹的梯度分布結(jié)構(gòu)，這種梯度分布結(jié)構(gòu)正是毛竹力學(xué)性能的重要保證。通過研究可以將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于復(fù)合材料纖維設(shè)計中，設(shè)計出具有梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

2.3 薄壁細(xì)胞面積分布及規(guī)律分析

2.3.1 薄壁細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)

薄壁細(xì)胞作為基體結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞間起到填充的作用，力學(xué)性能上起應(yīng)力緩沖作用。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中通常將薄壁細(xì)胞視為樹脂基體。薄壁細(xì)胞呈小孔狀，結(jié)構(gòu)近似為不規(guī)則橢圓形，個體間排列緊密，又相對獨立，填充在維管束間，其直徑為8.7～54.0 μm。薄壁細(xì)胞邊緣與維管束的纖維鞘部分相鄰，導(dǎo)管被纖維鞘包裹，為空心結(jié)構(gòu)，呈V字分布如圖7(a)所示。薄壁細(xì)胞將毛竹橫截面劃分為4個區(qū)域，呈現(xiàn)X型分布如圖7(b)所示。

圖7 毛竹橫截面圖像Fig.7 Moso bamboo cross-section image. (a) Local enlarged cross-section diagram; (b) Local magnification of cross-section image

2.3.2 薄壁細(xì)胞面積變化規(guī)律

將毛竹橫截面由外到內(nèi)分為4個區(qū)域(見圖6(a))，觀察到薄壁細(xì)胞面積由外到內(nèi)呈現(xiàn)一定變化趨勢，在各區(qū)域內(nèi)各選取30組薄壁細(xì)胞，通過IPP6.0圖像處理得到單個薄壁細(xì)胞面積，并分析其變化趨勢。表2示出單個薄壁細(xì)胞面積隨距離A點所在切線距離的增加而逐漸增大?？芍?，毛竹薄壁細(xì)胞由外到內(nèi)面積逐步增大，與各區(qū)域維管束中心軸距離呈現(xiàn)相似的變化趨勢。由外到內(nèi)各薄壁細(xì)胞面積逐漸增大，相鄰維管束中心軸距逐漸增大，進(jìn)一步證實了毛竹的梯度分布結(jié)構(gòu)。在仿生復(fù)合材料中，薄壁細(xì)胞類似于樹脂基體，由此可將這種規(guī)律性變化應(yīng)用到樹脂的變化中。由薄壁細(xì)胞個體的增大可得其單位面積內(nèi)數(shù)量減少，所以由外到內(nèi)薄壁細(xì)胞由密變疏，樹脂的設(shè)計也可呈現(xiàn)這種變化。

表2 單個薄壁細(xì)胞面積隨點A所在切線距離的變化Tab.2 Changes of single parenchyma cell area

3 結(jié) 論

本文利用X射線三維顯微鏡研究了毛竹橫截面微觀結(jié)構(gòu)。將毛竹橫截面視為纖維增強的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其中維管束視為纖維增強體，薄壁細(xì)胞視為樹脂基體。毛竹維管束長、短軸形態(tài)由外到內(nèi)長軸變短、短軸變長，最后逐漸趨于穩(wěn)定；由外到內(nèi)維管束面積呈增大趨勢，且維管束的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，纖維相面積和相鄰維管束中心軸距增大；毛竹單個薄壁細(xì)胞面積沿著外部向內(nèi)部過渡，呈逐漸增大趨勢，由此得出毛竹截面的梯度變化規(guī)律。將這種梯度變化規(guī)律應(yīng)用到纖維增強復(fù)合材料的設(shè)計中，通過改變纖維和樹脂的分布以實現(xiàn)仿生復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的梯度變化。