芒类生物质弯曲物理特性研究

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文 芒类生物质弯曲物理特性研究STUDY ON MISCANTHUS BENDING PHYSICALCHARACTERISTICS学生姓名： 宋泽运学 号：200741914318年级专业及班级：2007级机械设计制造及其自动化(3)班 指导老师及职称：翁伟 讲师湖南 长沙提交日期：2011年5月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 年 月 日目 录摘要.1关键词.11 前言. .2 1.1研究的目的与意义.2 1.2国内外相关研究进展3 1.3主要内容42 芒草的试验方法与试验结果分析.52.1实验材料与方法.52.2试验仪器.62.3试验结果与分析.72.4讨论与分析.153芒草的组织结构与力学特性16 3.1芒草的组织结构分析.163.1.1材料与方法.16 3.2.2结果与讨论.17 3.2芒草的弯曲断裂时的力学性能.17 3.2.1 材料与方法.17 3.2.2结果与讨论.18 3.3芒草截面积大小对所需折断力变化的影响. .19 3.3.1材料与方法.19 3.3.2结果与讨论.20 3.4芒草弯曲对所需折断力变化的影响.20 3.4.1材料与方法.20 3.4.2结果与讨论. .214 结论.22参考文献.24致 谢.25芒类生物质弯曲物理特性研究学 生： 宋泽运 指导老师： 翁 伟（湖南农业大学东方科技学院 长沙 410128）摘 要：大量的能源需求和减少对石化石油的依赖，是世界上共同面临的挑战。芒类生物质的利用是未来生物能源的主要利用方向之一，本试验采用湖南农业大学试验园种植的芒草为材料，采用三点弯曲法进行了芒草秆弯曲断裂试验，主要从芒草的试验方法，从其组织结构，弯曲力学特性进行数据列表分析。考察了芒草截面积、生长部位和存放时间对所需折断力的影响规律，从而得到芒草弯曲时的各种物理特性;为加工机具和加工工艺的设计、改进提供基础数据和理论依据。关键词：芒草生物质；芒草；组织结构；弯曲力；力学特性.Study on Miscanthus Bending Physical CharacteristicsStudents: Song ZeyunTutor: Weng Wei(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: To cutting down the huge demand on energy and the rely on the fossil oil is the challenge which the world faced. To take advantage of the Miscanthus Biomass is part of bioenergy in the future. This experiment is to use the miscanthus sinensis nurtured by Hunan Agricultural Universitys test garden, and to adopt the three-point bending method to finish the Miscanthus sinensis rod bending fracture test. According to the Miscanthus sinensis Organizational Structure and the feature of bending to finish the analysis of data list. In order to test the influence which Cross-sectional area of Miscanthus sinensis, growth position and Storage time to breaking force. And then we can get the Physical Characteristics of the bending miscanthus sinensis. So this experiment can provide basic data and theoretical basis on design of processing equipment and improve the technology.Key words: miscanthus Biomass；miscanthus；organizational structure；bending; Mechanical properties.1 前 言1.1研究的目的与意义大量的能源需求和减少对石化石油的依赖，是世界上共同面临的挑战。选择可替代石化石油的可再生能源，比如沼气、生物乙醇、生物柴油、太阳能发电和废弃物发电等，有利于各国的环境保护、经济发展和能源安全。纤维素生物质转化成生物乙醇是世界上生物能源发展的热点研究之一。要使生物能源工业工厂化生产，首先保证充足的生物质原料；将分散性、季节性和区域性强的生物质进行收集，各个地区的生物质种类及数量、质量都是不相同的，因此进行区域规划，来有效实现区域作业。其次是大力开发生物质收集机械自动化，可以提高生产率，减少成本和解决季节性强等要求。芒类生物质的利用是未来生物能源的主要利用方向之一，芒类生物质是农作物生产系统中一项重要的生物质资源。据不完全估计，全世界每年可生产近10亿t的芒草。芒草生物质资源的利用，既关系到广大农村，也涉及到整个农业生态系统中土壤肥力、水土保持、环境安全以及再生资源有效利用等可持续发展问题，近年来己经引起世界各国的普遍关注，并逐步成为可持续农业的重要方面。中国是农业大国，也是生物质资源最为丰富的国家之一，且随着农作物单产的提高，芒草生物质产量还将增加。近年来，农业主产区芒草大量过剩问题日益突出，农民就地焚烧芒草带来的资源浪费和环境污染问题引起了社会的关注。为此，中国政府十分重视芒草利用问题，并把芒草禁烧和综合利用工作当作资源和环境保护的重大项目，在资金、政策等方面给予大力扶持与推动。芒草可发电 一吨发电量同3桶原油 这种草美国欧洲日本都有，一吨发电量相当于3桶原油。最近科学家们发现，草竟是一种效果非常好的清洁能源。芒类生物质开发利用于国于民、乃至对农业生态系统的可持续发展都具有重要意义。芒类生物质弯曲的物理特性是机械破碎加工的首要环节。破碎加工直接影响着加工机具的能量消耗,也是造成机具工作刀片材料损耗的重要原因。生物质力学性质与工程材料相比存在很大差异,是设计、改进加工机具与加工工艺的重要依据。我国目前对各类生物质的弯曲力试验都有一定的研究，但力度不够，为此,解决芒类生物质的弯曲物理特性对加工机具参数优化设计提供理论依据。芒类生物质其在加工时的力学特性不仅受到品种、生长环境、成熟状况等因素的影响，与截面积、部位、存放时间有关，还与其组织结构密切相关。要使生物能源工业工厂化生产，首先保证充足的生物质原料；将分散性、季节性和区域性强的生物质进行收集，各个地区的生物质种类及数量、质量都是不相同的，因此进行区域规划，来有效实现区域作业。其次是大力开发生物质收集机械自动化，可以提高生产率，减少成本和解决季节性强等要求。要开发生物质机械，对生物质的物理特性研究非常重要，为机械设计提供基础数据和理论依据。 1.2国内外的研究现状 在这个能源匮乏的时代，小草的低投入高产出，无疑为苦恼着的人们增加了一种新的能源解决办法。科学家发现，一种高高的、具有装饰作用的植物能够提供数量可观的能源，且决不会引起全球变暖。这种植物名叫芒草，生长在欧洲和美国。在美国伊利诺伊州进行的田间实验表明，无论从经济角度还是从环保角度来看，芒草都是能提供可持续能源的有效植物。伊利诺伊大学的研究人员去年从实验田平均每公顷收获了60吨芒草。“如果全州8%的土地种上芒草，即使按每公顷收获30吨计算，我们就能为伊利诺伊州收集到足够的干物质来提供电力，这当中也包括芝加哥城。”参加研究的伊利诺伊大学教授史蒂夫朗对路透社记者说。无独有偶。在英国科学促进会举办的会议上，英国都柏林三一学院教授迈克琼斯也表示，在爱尔兰10%的耕地上种植芒草，就能够解决该国30%的电力供应。对环境有很大贡献 科学家认为，这种通常能长到14英尺(约合4.27米)的四季常青型植物能够抵消化石燃料对地球空气的影响。“虽然这些植物在燃烧时会向空中排放二氧化碳，但在它们的生长过程中，会吸收大量空气中的二氧化碳。所以算起来，它们对空气中二氧化碳含量的影响为零。”朗解释说，这一点与烧煤不同，烧煤会增加大气中二氧化碳的含量。朗认为，人们并没有意识到，用作能源的芒草可以减轻大气中二氧化碳的含量。“我们想指出的是，我们研究的这些新兴植物真的可以(在减轻温室效应上)做出特别大的贡献，而且它们还不需要技术上的很大突破。测定材料承受弯曲载荷时的力学特性的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。弯曲试验主要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具钢等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度。弯曲试验还可用来检查材料的表面质量。弯曲试验在万能材料机上进行，目前国内有三点弯曲和四点弯曲两种加载荷方式。试样的截面有圆形和矩形，试验时的跨距一般为直径的10倍。对于脆性材料弯曲试验一般只产生少量的塑性变形即可破坏，而对于塑性材料则不能测出弯曲断裂强度，但可检验其延展性和均匀性展性和均匀性。塑性材料的弯曲试验称为冷弯试验。试验时将试样加载，使其弯曲到一定程度，观察试样表面有无裂缝。在其生物质弯曲试验方面有待进一步的研究和延伸，为生物质破碎与破碎机的制造提供重要依据。1.3 论文的主要内容以湖南农业大学芒草为实验材料对芒草的弯曲物理特性研究，在实验仪上采用三点弯曲法进行了芒草秆弯曲断裂试验，论文主要从芒草的试验方法，芒草的组织结构与力学特性，芒草的弯曲断裂时的力学性能，芒草截面积大小对所需折断力变化的影响.，芒草弯曲对所需折断力变化的影响几个方面做深入研究，对其方法和结论作出分析。从而论证芒类生物质弯曲的物理特性对收割机械设计提供理论依据的重要性。2芒草的试验方法与力学特性2.1实验材料与方法2.1.1试验材料图1 芒草切割部位示意图Figure 1 Cutting part试验材料采用湖南农业大学试验芒草园种植的芒草，品种：湘杂芒2号，种植日期：2007年6月23日； 2年生南荻无性繁殖苗(腋芽繁殖)，种植日期：2009年8月25日；芒/南荻 杂交种（2011年申请品种登记的苗头组合），种植日期：2009年8月25日；3年生南荻种子苗，种植日期：2008年8月13 日。行距：7575。取回后，去叶，去毛根，用水将芒草外表洗净并擦拭，试样要求通直、无虫害。图2弯曲试样Figure 2 Bending Sample将芒草茎从基部，两节为一个试样用钢锯截取，依次编号试样1、试样2、试样13，试样长80mm。测量每节两端和靠近节部两个方向的4个外径值（2R)，在每节两端截面各取4个对称的位置测量壁厚(），以两节上的8个外径和8个壁厚的平均值作为试样的平均外径和平均壁厚。横截面积S=3.14R-(R-)。2.2试验仪器2.2.1仪器：利用美特斯工业系统(中国)有限公司深圳分公司提供的SANS-CMT6104微机控制电子万能试验机进行试验。试验过程中，该机实时动态显示力的大小、位移、加载速度和试验曲线。试验结束后，即可打印出完整的试验报告。 利用北京科伟永兴仪器有限公司提供的101型电热鼓风干燥器和慈溪市天东衡器厂提供的电子天平（精度为0.01g）进行含水率的测量（烘干法，GB6435一86)2.2.2试验方法采集4种芒草各5根，制作了260个试样进行弯曲试验，以分析4种不同类型的芒草不同节间弹性模量和抗弯强度的变化。设定材料试验仪加载速度为20mm /min，支撑架跨度为70mm。采用三点弯曲法加载（如图），将芦苇茎秆试样放在支座上，在茎秆外皮与支撑块接触处涂抹一层石蜡，以减小摩擦阻力。为了减少在加载过程中,芒草茎秆受压产生局部压入变形,上压头接触位置选择在芒草茎秆的节部。以20mm/min的速度加载，直至茎秆断裂。计算机自动记录载荷和位移值（数据见表2到表5）。 图3 弯曲加载原理图Figure 3 Schematic of bending load2.3试验结果与分析2.3.1试验结果表1含水率列表Table 1 Moisture content of the list朗读显示对应的拉丁字符的拼音湘杂芒2号2年生南荻无性繁殖苗芒/南荻 杂交种3年生南荻种子苗38.6911.2522.7442.7031.139.7216.2016.3920.539.4213.7514.3016.249.1313.0714.3613.909.4212.7614.6313.629.2512.8714.6113.949.3413.1814.3714.169.0912.1214.2913.299.0313.1514.0914.468.9212.3614.0412.129.0312.6413.9013.789.3112.6013.7313.678.9413.0213.792.3.2 力学性能图4 弯曲力位移曲线Figure 4 Bending displacement curve按以上的方法，对芒草秆进行弯曲断裂试验，重复5次，取平均值，绘制芒草秆断裂过程的载荷-变形曲线，观察秆的破坏形式，分析弯曲断裂时的力学性能。获得最大应力、弹性模量、抗弯刚度等机械物理特性参数。测定样品秆加载部位的直径，沿周长测三处位置，取均值，按圆形计算样品秆的外径。抗弯弹性模量为，式中D-外径 -壁厚 P-载荷 l-跨距 -弯曲挠度表2 湘杂芒2号弯曲物理参数Table 2 Mount 2 Xiangzayou physical parameters of bending茎秆部位置外径/mm壁厚/mm原始横截面积/mm茎秆截面惯性矩/mm4最大载荷/N挠度/mm弯矩/Nmm最大应力/MPa弹性模量/MPa抗弯刚度/GPa16.49 1.46 22.38 97.80 126.40 3.20 2212.07 151.39 6946.50 288.86 26.90 2.06 27.34 99.75 88.47 2.53 1548.24 43.41 2966.95 287.19 36.55 1.88 23.62 78.18 87.402.25 1529.59 42.82 6377.07 493.36 46.25 2.65 27.31 71.98 125.54 2.66 2196.93 79.61 5049.46 349.22 56.00 2.77 27.63 65.87 83.50 2.21 1461.26 62.57 6106.11 360.86 65.94 2.66 26.51 64.65 98.782.70 1728.63 88.37 5271.24 288.56 75.81 2.62 25.41 59.53 64.24 2.44 1124.37 61.94 4435.83 241.56 85.78 2.67 25.84 59.05 62.07 1.88 1086.1 42.53 4494.1 216.50 表3 2年生南荻无性繁殖苗弯曲物理参数Table3 2 -year-old Miscanthus sacchariflorus Bend physical parameters of asexual reproduction seedlings茎秆部位置外径/mm壁厚/mm原始横截面积/mm茎秆截面惯性矩/mm4最大载荷/N挠度/mm弯矩/Nmm最大应力/MPa弹性模量/MPa抗弯强度/GPa114.52 2.19 84.67 1678.05 166.02 3.16 2905.37 5.79 241.00 383.01 214.63 2.00 79.42 1638.84 153.92 3.32 2693.79 5.49 208.80 331.11 314.42 1.89 74.16 1500.16 122.95 2.96 2151.75 4.57 203.60 293.84 414.00 1.90 72.28 1367.69 125.77 3.51 2200.96 5.92 190.54 256.92 513.45 1.72 63.26 1113.08 102.50 2.83 1793.76 5.02 234.96 261.40 612.64 1.69 57.90 888.93 130.26 3.96 2279.63 10.48 268.38 235.50 712.03 1.59 51.98 726.03 126.95 4.53 2221.57 14.51 282.96 200.97 811.39 1.66 50.43 614.28 117.27 2.97 2052.26 10.70 467.44 278.54 910.52 1.70 47.19 480.41 133.67 4.09 2339.15 21.80 504.63 232.40 109.91 1.72 44.10 390.68 143.06 3.43 2503.62 23.97 841.66 320.19 表4 3年芒/南荻 杂交种 Table 4 3 years Mountain / Miscanthus sacchariflorus Hybrid茎秆部位置外径/mm壁厚/mm原始横截面积/mm茎秆截面惯性矩/mm4最大载荷/N挠度/mm弯矩/Nmm最大应力/MPa弹性模量/MPa抗弯强度/GPa17.781.73 33.01 167.04 130.36 4.15 2281.31 56.88 1360.69 228.38 27.35 1.59 28.85 131.00 131.91 3.48 2308.45 64.71 2114.06 276.06 36.89 1.46 24.97 101.06 91.82 2.06 1606.76 37.03 3618.07 377.86 46.41 1.35 21.53 75.74 111.75 2.36 1955.70 60.29 4540.81 344.88 56.01 2.52 25.27 62.93 98.05 2.55 1715.92 70.53 4453.61 280.22 65.67 2.83 25.36 52.23 69.64 1.95 1218.69 45.87 5162.36 268.37 75.47 2.74 23.59 44.80 70.33 2.72 1230.69 73.94 4087.86 184.53 85.27 2.64 21.87 38.46 70.34 3.16 1230.89 103.48 3986.94 154.45 表5 4年生南荻种子苗Table 5 4 years old seedlings Miscanthus sacchariflorus茎秆部位置外径/mm壁厚/mm原始横截面积/mm茎秆截面惯性矩/mm4最大载荷/N挠度/mm弯矩/Nmm最大应力/MPa弹性模量/MPa抗弯刚度/GPa116.87 2.55 114.44 3114.04 222.32 5.26 3890.59 8.23 104.71 313.14 216.47 2.40 106.13 2765.87 169.81 4.29 2971.64 4.98 115.32 293.21 315.91 2.14 92.86 2281.42 166.89 3.69 2920.65 5.71 152.43 341.10 415.36 2.15 89.09 2004.61 153.67 3.50 2689.15 4.98 166.70 339.55 514.77 2.09 83.19 1725.03 150.88 3.49 2640.35 5.43 188.19 325.31 614.44 2.07 80.19 1593.28 159.39 3.62 2789.28 6.57 219.48 343.29 713.38 1.96 70.44 1191.94 147.62 3.12 2583.35 6.85 298.90 360.48 812.45 1.86 61.86 901.33 152.50 2.79 2668.82 8.20 449.36 406.95 911.58 1.89 57.67 708.06 154.48 2.69 2703.46 10.94 749.08 562.94 如表所示:由弯曲断裂实验结果可得到芒草茎秆的弯曲变形曲线。由图4中曲线可以看出，芒草秆在弯曲变形时的力学性能大致分为两个阶段，即线性阶段和非线性阶段。在弯曲加载的初始阶段，力(N)与位移(mm)的关系近似为线性的，表示在这一阶段内，力与位移成正比关系。如果卸载，变形会恢复到起始状态，芒草秆材料表现为线弹性的特点。图4中曲线中直线部分的最高点所对应的力，即为弹性变形极限载荷。当力达到某一数值，曲线呈非线弹性变化趋势，力有微小变化即引起变形较大变化，直至达到峰值力。之后力开始减小。为了考察芒草秆部位置对芒草弯曲性能的影响，利用SPSS软件对表2到表5数据作多元方差分析，得到了一些变化规律和结论。湘杂芒2号，表中对截距项的假设检验结果为P0.001，说明当自变量取值为0时，因变量取值不为0表6 3年生南荻种子苗Table 6 3 years seedling Miscanthus sacchariflorus效应值F假设 df误差 dfSig.截距Pillai 的跟踪.982374.230a5.00035.000.000Wilks 的 Lambda.018374.230a5.00035.000.000Hotelling 的跟踪53.461374.230a5.00035.000.000Roy 的最大根53.461374.230a5.00035.000.000茎秆部位置Pillai 的跟踪2.1972.54760.000195.000.000Wilks 的 Lambda.0085.07560.000167.670.000Hotelling 的跟踪19.30810.74860.000167.000.000Roy 的最大根15.07548.993b12.00039.000.000a. 精确统计量b. 该统计量是 F 的上限，它产生了一个关于显著性级别的下限。c. 设计 : 截距 + 茎秆部位置表中对截距项的假设检验结果为P0.001，说明当自变量取值为0时，因变量取值不为0，就是对秆部位置的统计学检验结果为P0.001，说明不同的秆部位置有统计学意义，也就是说不同的秆部位置对芒草弯曲性能又极其显著的影响。利用利用SPSS软件作多重线性回归分析，得到了一些变化规律和结论。载荷与面积、挠度、外径的关系 P=AX1+BX2+CX3+E载荷与面积、挠度、外径的关系 M=AX1+BX2+CX3+DX4+EX1-面积 X2-挠度 X3-外径 X4-秆截面惯性矩 E-回归系数 P-载荷 M-弯矩 芒/南荻杂交种P=1.45X1+9.152X2+26.831X3-140.108(决定系数R Square为0.747,置信系数取a=0.05) M=54.449X1+165.451X2+984.58X3-14.19X4-5246.044(决定系数R Square为0.783,置信系数取a=0.05) 2年生南荻无性繁殖苗P=1.799X1+20.726X2-11.308X3+93.041(决定系数R Square为0.605,置信系数取a=0.05) M=15.002X1+366.679X2-419.939X3-1.352X4-4055.407(决定系数R Square为0.674,置信系数取a=0.05) 湘杂芒2号和3年生南荻种子苗的决定系数R Square都不足50%，不予采信。图5茎杆截面惯性曲线图 Figure5 Stem cross-section of inertia curve图6 茎杆截面惯性曲线图 Figure6 Stem cross-section of inertia curve 由表可以看出芒/南荻杂交种、2年生南荻无性繁殖苗、3年生南荻种子苗的茎秆截面惯性矩沿茎秆部位置均是由低位节向高位节间递减，但对于湘杂芒2号，茎秆截面惯性矩由低位节向高位节先递减再递增，呈凹型。 图7 弹性模量曲线图Figure7 Modulus curve图8 弹性模量曲线图Figure8 Modulus curve 由表可以看出湘杂芒2号的弹性模量从第一个节间到第二个节间递增，然后是递减；芒/南荻杂交种的弹性模量图9 抗弯强度曲线图Figure9 Bending strength curve 图10 抗弯强度曲线图Figure10 Bending strength curve从图中可看出 湘杂芒2号 、芒/南荻 杂交种峰值力变化的趋势是随芒草秆部位位置的增大而减小，2年生南荻无性繁殖苗、3年生南荻种子苗峰值力变化的趋势是随茎秆部位位置的增大而减小，减小到一定程度然后再增大。这是由于湘杂芒2号 、芒/南荻 杂交种茎秆外径大而空心，2年生南荻无性繁殖苗、3年生南荻种子苗外径随部位位置增大而减小，但其内部填充多孔泡沫状材料，而影响其峰值力。 图11 峰值截面图Figure 11 Peak cross-section图12 峰值截面图Figure12 Peak cross-section2.3.3破坏形式图13中性层处产生裂纹Figure 13 Neutral layer at the crack圆形截面梁在弯曲荷载下,最大剪应力位于中性层处,沿试样长度方向产生中性层裂纹。再进一步施加荷载时,中性层被剪开。图14 靠近节处产生横向断裂Figure 14 Transverse fracture at the produce section near the在弯曲荷载下,当采用三点弯曲的加载方法时,靠近节处的最大弯曲应力首先达到破坏强度而产生断裂。 图15 湘杂芒2号Figure 15 2 Xiangzayou Mount图16 2年生南荻无性繁殖苗Figure 16 2 years old Miscanthus sacchariflorus asexual reproduction图17 芒/南荻杂交 Figure 17 Mountain / Miscanthus sacchariflorus hybridization 2.4讨论与分析芒草茎秆在弯曲荷载下的破坏形式比较复杂,这是芒草材料组织结构的复杂性的表现,反映出了芒草茎秆材料各项异性的的特点。峰值力的均方差都很大,反映出了芒草个体之间的差异很大。在实验仪上采用三点弯曲法进行了秸秆弯曲断裂试验，得到芒草的弯曲断裂曲线;考察了芒草截面积、生长部位和存放时间对所需折断力的影响规律。芒草所需折断力受到截面积、生长部位、存放时间的影响。在其它条件相同的情况下，芒草截面积越大，所需折断力越大;自根部依次向上至梢部，芒草所需折断力逐渐减小;随着存放时间的延长，芒草所需的折断力逐渐增大。3 芒草的组织结构与力学特性3.1芒草的组织结构分析3.1.1材料与方法实验材料采用新鲜芒草，取自湖南农业大学东区试验场，品种：湘杂芒2号（1）仪器设备扫描电子显微镜(SEM一570)、切片机、DF一01H真空冷冻干燥机、真空喷镀仪、ANKOM220纤维分析仪、F57专用滤袋、封口机(美国ANKOM技术公司生产)、干燥器(用变色硅胶作干燥剂)、电热鼓风干燥箱(银河牌，中国重庆银河试验仪器有限公司生产)、AdvneturerAB204一E分析仪。（2）成分分析方法含水率:采用烘干法(GB6435一86)芒草杆粗纤维含量:采用范氏纤维测定法。扫描电镜观察样品的制备，取新鲜芒草秆，用毛巾将表面擦试干净，将实验芒草秆锯切成1小的方块，将试样所需观察的面朝上，用切片机切片，厚度约为50一70pm;将切片利用冷冻干燥法进行脱水干燥;用银粉导电胶将切片粘在铝制试样托上;将样品放入真空喷镀仪内，使标本台旋转，在真空下蒸发并喷射金粉到样品表面，喷镀层一般在10一20mn，以形成导电层。3.1.2结果与讨论（1）实验芒草的主要成分样品芒草的含水率为80.42%，粗纤维含量约为29.3%。（2）实验芒草的组织结构在镜下可以看出芒草表皮细胞由长细胞、硅化细胞和气孔器有规律地排列而成。硅细胞与长细胞呈纵向间隔排列成行，硅细胞呈四瓣裂的花瓣状。气孔器呈椭圆形，与长细胞也成纵向排列。通常，这种组织结构对于抵抗茎秆破碎十分有利。还可以看出，芒草秆表皮内有厚壁的机械组织，其特点是细胞小，排列紧密，无细胞间，在茎内连成一环。茎内其余部分全部由基本组织所充满，外面多而小，向内渐少而大。维管束散生于基本组织中。维管束的分布状况是外面多而小，向内渐少而大。从杆节横切面观，维管束数量多，大小不等，排列紧密。由皮部和中央部分两部分组成，皮部外围有两圈维管束，外圈的小，内圈的大。维管束之间有少量的薄壁细胞，故排列较为疏散。皮部内侧有一至两圈维管束，排列紧密，小维管束紧贴于大维管束的内缘。皮部维管束近圆形，且呈帽状覆盖于维管束的外方，其内方有较少的机械组织包围维管束，机械组织非常发达，这种组织结构不容易被破坏。茎节的中央部分有大量的维管束，外围的排列更为紧密，这些维管束近方形，机械组织不发达，管数量多，呈弧形包围韧皮部或呈周木状维管束。大约三、四排维管束以后，维管的排列逐渐疏松，至内部呈散生状态。3.2芒草弯曲断裂时的力学性能3.2.1材料与方法（1）材料实验仪使用英斯克朗(NIsTRoN)4411型材料实验仪(MaterialsTestnignsIrt ment)，其主要性能参数见表7（2）其它仪器设备利用北京科伟永兴仪器有限公司提供的101型电热鼓风干燥器和慈溪市天东衡器厂提供的电子天平（精度为0.01g）进行含水率的测量（烘干法，GB6435一86)普通钢锯。表7 英斯克朗（INSTRON）4411型材料实验仪主要性能参数Table 7 Ying Si Kelang (INSTRON) 4411 type material testing apparatus main performance parameters加载量程（N）加载速度（mm/min）全速时最大压力（N）回程速度（mm/min）位移测量精度回程速度精度（mm/min）自动采集时间间隔（S）25000.5-50050006000.05%0.010.01（3）实验样品制备选取通直无虫害新鲜芒草秆(按以上方法测定芒草秆含水率约为80.42%)，去叶、去毛根，用干净毛巾将外表擦拭干净，自芒草秆贴近地面截断部位开始，以节为单元用钢锯锯切，依次编号为第1节、第2节第12节，备用。（4）实验方法设定材料实验仪加载速度为ZOml对mni，位移最大变化值为20，支撑架跨度为70。采用三点弯曲法加载。将芒草秆试样放在支座上，在秆外皮与支撑块接触处涂抹一层石蜡，以减小摩擦阻力。载荷F作用在跨度中点，以20nlm如in的速度加载，直至秆断裂，此时所需载荷定义为折断力;计算机自动记录载荷和变形值。图18 芒草杆弯曲断裂实验原理图Figure 18 Miscanthus sinensis rod bending fracture test schematic（5）实验设计按同样的方法，对芒草秆进行弯曲断裂实验，重复10次，取均值，绘制秸秆断裂过程的载荷-变形曲线，观察秸秆的破坏形式，分析芒草秆弯曲断裂时的力学性能。数据处理与分析3.2.2结果与讨论表8 1年生南荻无性繁殖苗Table 8 1 year old Miscanthus sacchariflorus asexual reproduction Miao茎秆部位置外径/mm壁厚/mm原始横截面积/mm茎秆截面惯性矩/mm4最大载荷/N挠度/mm弯矩/Nmm最大应力/MPa弹性模量/MPa抗弯强度/GPa114.52 2.19 84.67 1678.05 166.02 3.16 2905.37 5.79 241.00 383.01 214.63 2.00 79.42 1638.84 153.92 3.32 2693.79 5.49 208.80 331.11 314.42 1.89 74.16 1500.16 122.95 2.96 2151.75 4.57 203.60 293.84 414.00 1.90 72.28 1367.69 125.77 3.51 2200.96 5.92 190.54 256.92 513.45 1.72 63.26 1113.08 102.50 2.83 1793.76 5.02 234.96 261.40 612.64 1.69 57.90 888.93 130.26 3.96 2279.63 10.48 268.38 235.50 712.03 1.59 51.98 726.03 126.95 4.53 2221.57 14.51 282.96 200.97 811.39 1.66 50.43 614.28 117.27 2.97 2052.26 10.70 467.44 278.54 910.52 1.70 47.19 480.41 133.67 4.09 2339.15 21.80 504.63 232.40 109.91 1.72 44.10 390.68 143.06 3.43 2503.62 23.97 841.66 320.19 由弯曲断裂实验结果可得到芒草秆不同节位的弯曲变形曲线。由以上图中曲线可以看出，秆在弯曲变形时的力学性能大致分为两个阶段，即线性阶段和非线性阶段。在弯曲加载的初始阶段，载荷(N)与变形的关系近似为线性的，表示在这一阶段内，载荷与变形成正比关系。如果卸载，变形会恢复到起始状态，芒草秆材料表现为线弹性的特点。图中各个节位变形曲线中直线部分的最高点所对应的载荷，即为弹性变形极限载荷。当载荷达到某一数值，曲线呈非线弹性变化趋势，载荷有微小变化即引起变形较大变化，直至载荷达到最大。之后载荷开始减小，而仍然有变形存在。在弯曲变形过程中，试样芒草秆受到弯曲载荷作用逐渐变形破坏，根部试样秆所需折断力最高达到215.44N，变形范围超过15，而梢部试样秆整个变形过程中，所需折断力均低于50N。在生产过程中，这种较大的差异会造成加工机具工作负荷不平衡，在机具改进过程中应予以考虑。由数据中还可以看出，靠近根部样品秆在弯曲载荷下，线性范围较大，表明线弹性高，刚度较大。靠近中部和梢部的样品秆，线弹性范围小而非线弹性范围较大。这与芒草秆不同生长部位的组织结构差异有关，靠近根部的芒草秆的基本组织木质化严重、纤维含量高。植物体这种高木质化的基本组织具有较好的线弹性和较高的抵抗变形的能力。芒草秆底部轴向断裂芒草秆在弯曲过程中的受力状况是上部受到压应力，下部受到拉应力，由于秆的横向抗拉强度远小于纵向抗拉强度，在拉应力的作用下，秆下部纤维组织被彼此拉开而造成轴向断裂。芒草秆横向断裂芒草秆在弯曲载荷作用下，靠近茎节的部位因截面积变化可能有应力集中现象而发生横向断裂，另外还会有大量不规则裂纹产生。秆根部试样产生横向裂纹而断裂的原因是根部维管束间的基本组织的木质化程度很高，秆芯部抵抗弯曲变形的能力比较大，使得整个秆产生横向裂纹的可能性增加。秆梢部(生长部位第9节以后)试样产生横向裂纹的原因是芒草秆梢部脆性较大。3.3芒草截面积大小对所需折断力变化的影响3.3.1材料与方法（1）实验材料通直无虫害新鲜芒草秆，取自湖南农业大学东区试验场，品种：湘杂芒2号。（2