Advanced Composites and Hybrid Materials
可持续生物基复合材料与模块化元结构

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本研究提出了一种完全生物基的模块化元结构设计，利用巨竹（Dendrocalamus asper）竹材和植物基聚合物，具有优异的机械性能和能量吸收能力，为可持续复合材料的开发提供了新方向。

 

文献概述
本文《Fully bio-based composite and modular metastructures》，发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》杂志，回顾并总结了基于竹材和植物基聚合物的可持续元结构设计，探索其在结构承载和能量吸收方面的应用潜力。

背景知识
元材料和元结构通过调控内部几何构型，实现超越传统材料的机械性能，如高刚度、高强度重量比和能量吸收能力。传统元结构多依赖化石基材料，但随着绿色制造和循环经济理念的发展，天然材料的使用成为研究热点。竹子因其快速生长和高比强度，被广泛研究作为可持续结构材料。大豆油和蓖麻油衍生的聚合物则因其化学可调性和环境友好性，适用于制造连接件和粘合剂。本研究首次将竹材与植物基聚合物结合，构建模块化元结构，突破传统竹结构在宏观尺度上的应用限制，同时探索其在三明治结构中的力学性能。

 

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研究方法与实验
研究设计了一种50 × 50 × 50 mm³的元结构单元，由竹材杆件和植物基聚合物连接件组成，模拟具有手性旋转特性的结构，增强能量吸收能力。实验包括竹材和聚合物的物理、化学和力学性能表征，以及元结构单元的压缩测试和梁结构的四点弯曲测试。有限元分析（FEA）用于模拟结构在扭转和悬臂载荷下的弹性行为。

关键结论与观点

• 元结构单元（约30g）在压缩下可承载高达700kg，位移约2mm，旋转4°，能量吸收达750μJ/mm³，弹性阶段内等效泊松比接近零，刚度达4200N/mm。
• 桁架梁和三明治梁的等效密度分别为0.19g/cm³和0.21g/cm³，最大抗弯载荷分别为2000N和3600N，对应最大弯矩为103kN·mm和188kN·mm，韧性分别为158μJ/mm³和193μJ/mm³。
• 有限元分析显示，桁架单元在扭转载荷下可承受7300N·mm/度的扭矩，桁架梁和三明治梁的均质化抗弯模量分别为623MPa和751MPa。
• 竹材与聚合物的界面化学粘附兼容性良好，通过FTIR分析确认了共享官能团的存在，保证结构稳定性。
• 该元结构设计可模块化扩展，适用于建筑、航空航天和轻量化结构工程。

研究意义与展望
该研究为可持续高性能复合材料提供了一种可扩展、可再生的设计方案，同时兼顾高强度和轻量化。未来研究可进一步优化竹材与聚合物的界面粘附工艺，并探索该元结构在更大尺度工程中的应用。

 

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结语
本研究成功开发了一种完全生物基的模块化元结构，结合竹材和植物基聚合物，具有优异的承载能力、能量吸收和力学稳定性。该结构在压缩测试中展现出高达700kg的承载能力，并在四点弯曲测试中实现2000N至3600N的抗弯载荷，为可持续复合材料在建筑、航空航天和结构工程中的应用奠定了基础。此外，研究还通过有限元分析模拟了结构在扭转和悬臂载荷下的弹性行为，为未来工程设计提供理论支持。该元结构的制造流程完全基于自然材料，无化学处理，符合绿色制造和循环经济理念。后续研究可进一步优化竹材杆件与聚合物的结合工艺，探索该结构在更大跨度或更复杂载荷下的性能，同时评估其在自然环境中的耐久性与老化行为。该研究不仅推动了天然材料在高性能复合结构中的应用，也为未来可持续工程材料的开发提供了新思路。

 

Rodrigo José da Silva, Bárbara Lana de Resende, Gianni Comandini, Fabrizio Scarpa, and Túlio Hallak Panzera. Fully bio-based composite and modular metastructures. Advanced Composites and Hybrid Materials.