余雁[1]2003年在《人工林杉木管胞的纵向力学性质及其主要影响因子研究》文中研究表明研究管胞力学性质的主要影响因素及其株内变异规律不仅有利于实现木材纤维/塑料复合材料和纸浆造纸领域对纤维的选择性利用、还可以为木材性质的基因改良提供量化的目标和指标。目前在管胞细胞壁力学的研究中，人们遇到的最大的困难就是管胞细胞壁力学性能的实验测定。通常采用的方法－单根管胞的微拉伸由于存在测量程序复杂，对仪器特别是实验技巧要求高，数据精度易受各种因素干扰而难以在研究中得到普遍运用。本项研究正是基于以上考虑而提出的，首要目标是提出能快速评价管胞纵向力学性质的实验技术，并以此研究了人工林杉木管胞纵向力学性能的株内变异规律；目的之二是从实验和理论的角度研究管胞细胞壁力学性质的主要影响因素，为树木木材品质的基因改良提供量化的目标和指标。本项研究是国家重大基础研究项目（973）“树木育种的分子基础研究”的一部分。论文的第2章首先研究了微米尺度下木材的力学特性，为后面运用木材微切片拉伸技术奠定一定的理论基础；在第3章，首次考虑到了微米尺度下木材力学性质的尺寸效应，并运用木材微切片正常间距拉伸技术研究了管胞纵向弹性模量的株内变异规律；在第4章，首次利用纳米压痕技术中最新发展起来的连续刚度测量法（CSM）直接在管胞细胞壁上进行纳米级的压痕实验，测量次生壁S2层的纵横向弹性模量和硬度，从而把细胞壁力学的研究提高到一个更高的水平；在第5章，首次把造纸领域的零距拉伸技术引入木材科学研究领域，研究了管胞纵向抗拉强度的株内变异规律及其主要影响因素；第6章则运用复合材料细观力学的基本理论和经典层板理论对影响细胞壁力学性能的主要因素进行了全面而系统的分析，并为前几章的一些实验结果提供理论上的解释。<WP=6>以上研究内容的主要结果归纳如下：微米尺度下的木材的力学特性：1） 微米尺度下木材的纵向力学特性与正常尺寸木材之间存在很大差异。在一定的尺度范围内，木材微切片的纵向弹性模量与其厚度之间存在正相关关系，但远小于正常尺寸木材的弹性模量。对于200?m厚的木材微切片，后者大约是前者的2.58倍。这是因为在微米尺度下，微切片纤维之间的完全剪切束缚效应被破坏或者消弱，使其细胞壁的刚性显着降低，第5章通过理论计算证明这一点。2） 木材微切片纵向拉伸时具有刚性强化特性，这是由于微纤丝沿着载荷重新取向，角度减小造成的。刚性强化效应的强弱不仅与S2层微纤丝角的大小，还与试样的断面尺寸、含水率有关。早晚材宏观弹性模量的株内变异：3） 人工林杉木早材弹性模量和密度的径向变异规律不太明显，但总体上成熟材的弹性模量大于幼龄材。晚材密度和模量则呈稳定的径向递增趋势。4） 通过与其他重木材的比较发现，晚材密度低是人工林杉木密度偏低的主要原因之一。5） 尽管从总体上木材的纵向弹性模量与气干密度之间存在较强的相关性，但它们之间的变化趋势经常不同步，特别是幼龄早材弹性模量与密度之间的相关性要低于成熟早材。6） 人工林杉木早材纵向弹性模量的平均值为7.87GPa；晚材为17.31GPa。管胞细胞壁纵向力学性能的株内变异：从髓心到树皮，人工林杉木早晚材管胞的弹性模量和抗拉强度总体呈现出增大的趋势，但晚材管胞弹性模量的递增趋势比早材管胞明显，特<WP=7>7） 别是在幼龄材区域，晚材管胞纵向弹性模量随年轮数的增大而急剧增大，之后趋于平缓。8） 早材管胞的抗拉强度在树高方向（1.3-7.3m）变异不显着。9） 在同一年轮内，早材管胞的纵向强度和模量从内向外一般呈现出增大的趋势。10） 早晚材管胞纵向弹性模量分别为44.16GPa和55.78GPa；早材管胞纵向抗拉强度在291－654MPa之间，平均值为452MPa。管胞细胞壁纵向力学性能的影响因素：11） 实验和理论计算均表明，S2层微纤丝角是管胞纵向力学性能的决定性因素，微纤丝角越小，管胞的纵向弹性模量和强度越大。此外，纤丝角越大，木材的断裂应变越大，韧性越好。12） 实验和理论计算均表明，含水率对管胞细胞壁纵向力学性能的影响程度明显小于其对木材宏观力学性能的影响。纤维饱和点下细胞壁的纵向弹性模量只比气干态下（8-9％）小4.8-15.1％，并且S2层微纤丝角越小，下降的程度越小。含水率对管胞的抗拉强度影响更不显着，饱水态下抗拉强度只比气干态低1.5-10％（平均值为2.7％）。上述研究表明，含水率对木材宏观纵向力学性能的影响是两个方面共同作用的结果：1. 含水率的增大在一定程度上降低了细胞壁本身的力学性能；2. 含水率的增大使木材纵向拉伸断裂模式发生了一定程度的变化，增大了发生细胞壁间断裂（断裂发生在胞间层）、壁内断裂（主要是S1和S2之间的分层）的概率。13） 纤维素的聚合度在0－757的范围内与管胞的抗拉强度之间存在正相关关系。但当聚合度大于757以后对强度影响很小。经过脱木素处理管胞的抗拉强度略小于未脱木素管胞。纳米压痕技术的应用：应用纳米压痕技术的研究结果表明，晚材管胞次生壁S2层的纵向硬<WP=8>14） 度和模量高于早材。前者的纵向弹性模量在7.185-28.087GPa之间，平均值为14.844G；后者则在7.16-14.674GPa之间，平均?
黄艳辉[2]2007年在《杉木木材微纤丝角及其与力学性质关系研究》文中提出木材微纤丝角是木材各项性质中最重要的指标之一,它的大小与木材的解剖、物理、力学以及化学性质紧密相关,研究它的大小和变异规律可以为木材性质的早期预测提供科学依据,为人工林木材的选种育种、基因改良、采伐间伐提供合理的技术参数,为木材细胞壁力学、微观力学以及纤维复合材料的发展提供强大的推动力。随着科学技术的发展,测定木材微纤丝角的新技术、新方法不断涌现。本论文使用四种方法测定分析了杉木的微纤丝角,并以微纤丝角为切入点系统分析了影响杉木木材宏观和微观力学性质的因素。论文的主要研究结果如下:1.分别利用X射线衍射法、纹孔观察法、偏振光显微镜法和近红外光谱预测法得到杉木木材的微纤丝角及其变异规律,并对这四种方法进行详细比较,结果表明:1)X射线衍射法测定速度快,代表性强,适用于大量试样的变异研究;偏振光显微镜法测定速度较慢,但实验仪器成本低,适合实验室试样的少数测定;纹孔观察法测定速度相对较快,对仪器的要求也不高,但测定结果变异性较大。方差分析表明,这叁种方法在测定杉木木材平均微纤丝角时差异不显着。2)近红外光谱预测法和X射线衍射法均属于无损检测法,它们两个联立建立的模型精度高,预测性和重现性好、便于实现在线分析。由于另外叁种方法得到的木材微纤丝角值差异不大,所以都可以作为木材微纤丝角真值与近红外光谱联立来预测木材微纤丝角。2.木材微纤丝角对微观力学性质的影响1)正常间距拉伸中,被测杉木的微切片平均密度为0.3434g/cm3,平均微纤丝角为12.06°,平均纵向弹性模量为2431Mpa,平均抗拉强度为44.96Mpa。2)正常间距拉伸中,微纤丝角对D333A组微切片的影响占主导作用,密度对D1123A和D1223A组微切片的影响占主导作用,两者一起互为补充的说明了微切片纵向力学性能的变化。3)正常间距拉伸中,控制密度的影响后,微纤丝角的变化对D333A组微切片纵向MOE和抗拉强度的变化起着决定性作用;对D1123A组微切片纵向MOE的相关系数达到0.05水平上显着;对D1223A组微切片纵向MOE和抗拉强度都成负相关关系,但都达不到显着水平。4)零距拉伸中,被测杉木管胞抗拉强度平均值为357.39Mpa。在测定管胞平均抗拉强度时,试样宽窄选6mm最好。3.木材微纤丝角对宏观力学性质的影响1)被测杉木的木材密度平均值为0.3991g/cm3;抗弯弹性模量(MOE)平均值为12.38Mpa;抗弯强度(MOR)平均值为75.22Mpa;微纤丝角(MFA)在10.25-30.55°之间,平均值为12.49°。2)边材处和低海拔处试样的相关系数变化趋势一致,即密度对MOE和MOR的影响最大,其次是密度/MFA,最后是MFA。3)对高海拔处和心材处试样,对MOR的相关系数大小顺序为:密度>密度/MFA>MFA;对MOE,密度/MFA>密度>MFA。4)边材处与低海拔处试样的MOE受密度的影响最大;而心材处与高海拔处试样受密度/MFA的影响最大,尤其是MFA对MOE的影响在心材处和高海拔处显着增大,由原来最低的-0.177达到-0.478。5)对全部试样,微纤丝角在控制密度前后对MOE都成显着的负相关关系,与MOR也从原来的不相关变为显着负相关,这说明微纤丝角的变化与MOE和MOR的变化关系密切。6)对心材处试样,控制密度的影响后,微纤丝角与MOE的相关系数从原来的-0.534增加到-0.814,与MOR的相关系数也有所提高,这说明微纤丝角的变化与MOE和MOR的变化紧密相关。7)在预测木材MOE和MOR时,将密度和微纤丝角一起考虑在内,其结果会比单考虑密度时更为准确。
黄安民, 费本华, 刘君良[3]2006年在《杉木木材性质研究进展》文中研究说明文中重点对杉木的木材解剖性质、物理力学性质、化学性质的研究现状进行了归纳和分析,并针对影响杉木木材性质变异规律的生长因子进行了总结,最后就杉木木材性质的研究方法、趋势提出了几点建议。
张群[4]2011年在《人工修枝对提高杉木木材质量影响的研究》文中认为科学地集约经营人工用材林,通过合理营林措施,有效地控制木材形成,提高人工林木材产品质量,实现高产优质的森林培育目标是当前林业生产及森林培育学科发展的方向。本项研究以我国南方造林面积最大的杉木人工林为研究对象,以培育高品质的杉木无节大径材为研究目标,研究密度控制和人工修枝等营林措施对杉木人工林木材质量的影响,探讨提高杉木木材质量和加工利用率的森林培育方法。在福建省洋口国有林场1996年营造的杉木人工纯林进行试验,按3种林分密度:900株?hm-2、1 200株?hm-2、1 800株?hm-2和4级修枝强度:6 cm、8 cm、10 cm、12 cm(修枝处的最小直径)对杉木进行密度和修枝处理,以不修枝杉木为对照。系统地研究人工修枝对杉木生长和生产力、木材的物理力学性质和主要缺陷,以及林下植被和林地土壤等林分环境的影响作用。最后综合木材生产的数量、质量和利用等多项指标,确定了对提高杉木木材质量有利的合理林分密度和适合采取的修枝强度,以及人工修枝的起始时间、修枝次数和时间间隔,林地土壤管理等具体森林栽培措施,为杉木无节大径材培育提供科学依据。试验结果表明,人工修枝对杉木优质材培育具有积极作用。在合理密度下,人工修枝对杉木生长有一定促进作用,杉木的胸径生长提高20%,树高生长和林分蓄积提高4%,缩短杉木数量成熟的时间,生产力提高50%以上。人工修枝还能有效地控制木材中节子的长度,提高杉木无节材比例,同时减小尖削度,提高枝下高,使杉木干形更趋近于通直圆满。杉木修枝10年后,无节材比例可达20%~25%,比不修枝的杉木提高了近5倍。修枝后杉木人工林的林下植被盖度、种类丰富度和多样性大大提高,人工修枝对提高杉木人工林的林分稳定性和物种优势种的更迭起到一定作用。在木材性质方面,人工修枝还可以降低幼龄材比例,从而提高杉木木材的尺寸稳定性。木材幼龄材比例下降了近一倍。然而,人工修枝也带来一些不利影响。在密度较大的林分内进行修枝,会抑制杉木的树高、胸径和材积生长,延缓杉木的数量成熟时间。此外,人工修枝还会降低杉木木材密度和冲击韧性等木材物理力学性能,且修枝强度越大,对木材物理力学性能的影响越大。林地土壤肥力消耗加大,应加强人工抚育措施,维持地力保证以获得最大材积生长量。采用工业CT扫描获取杉木木材内部结构信息,有效地解决了传统解剖方法无法确定无节材内部缺陷的难题,为工业CT扫描技术在木材利用科学上的应用研究做了有益的尝试。单位长度范围内,杉木木材的节子轮数为4~5轮,平均间距为0.22 m,节子数量20个左右。杉木每一轮枝上的节子数量约为4~5个,呈均匀对称分布。随着在树干上着生位置的上移,节子的数量逐渐减少,节子尺寸则是长度逐渐缩短而直径增大。而利用植物生长模型对杉木分枝结构的模拟,直观地表达了杉木无节材的内部缺陷结构与分布,为木材加工利用提供有效信息,大大提高木材利用率。试验证明,杉木无节大径材的培育方案为在林分密度1 200株?hm-2条件下,采用修枝强度为10 cm对5年生的杉木进行人工修枝最为合适。采用树干直径作为修枝强度的度量值,能够有效地控制木材缺陷的范围,不受林木生长状况影响,同时与树高控制法相比,还具有操作性强的优势。修枝10年后,杉木树高接近15 m,胸径可达22 cm以上,平均材积0.24 m3。4~10年为杉木速生期,7~9年时杉木生长速度最快。15年生时,杉木还未达到数量成熟年龄。杉木木材的含水率为8%,气干密度0.34 g?cm-3,抗弯弹性模量11.9 MPa,抗弯强度65.8 MPa,冲击韧性15.58 kJ?m-2。林下植被主要有五节芒、渐尖毛蕨、芒萁等草本和粗叶榕、杜茎山、苦竹等灌木,还有叁叶青、大头艾纳香、玉叶金花等藤本植物。林下植被的盖度达40%以上,而未修枝杉木林下植被盖度仅为2%。
张波[5]2007年在《马尾松木材管胞形态及微力学性能研究》文中指出木材是由多细胞组成的具有复杂层状结构和特殊分子力学现象的生物复合材料。木材的宏观力学行为与细胞形态、细胞力学性质、细胞间的连接方式以及细胞构成木材的几何方式密切相关。研究木材细胞的形态、结构和力学性能，对于在管胞和分子水平运用力学原理建立多细胞相互作用的力学模型，最终把握木材的力学行为机理有重要意义。本文以组织结构较为简单的针叶材马尾松为研究对象，在总结归纳木材微观力学领域研究进展的基础上，系统研究了马尾松管胞形态、微纤丝角度、管胞纵向力学性能以及管胞壁层力学性能，在此基础上探讨了马尾松管胞形态与管胞力学性能之间的关系。主要内容包括：马尾松管胞形态参数(长度、宽度、长宽比、径向直径、弦向直径、壁厚)以及微纤丝角度在径向、纵向和生长轮内的变异规律；管胞的纵向抗拉强度在径向、纵向和生长轮内的变异及其与管胞形态之间的关系；管胞壁层纳米压痕弹性模量、硬度在壁层厚度方向上的的变化及其与结构的关系。得到如下结论：(1)马尾松管胞长度径向变异：从髓心向外至第8生长轮管胞长度呈线性增加；8-14生长轮管胞长度不规则变化并达到一较高值；14生长轮后管胞长度略有减小，总体趋于稳定。马尾松管胞长度符合正态分布，幼龄材部位60％的管胞长度分布约为2500μm—4000μm，成熟材70％的管胞长度分布在4000μm—5500μm。管胞宽度从髓心向外总体呈递增趋势，到第8生长轮时逐渐趋于平缓。髓心附近管胞宽度最小为40μm；成熟材部位管胞宽度，3m高度处为45μm；6m高度处为50μm；9m高度处为55μm。马尾松管胞的长宽比在近髓心处最小为55，髓心向外至第8生长轮管胞长宽比呈线性增加达到80，第8生长轮后趋于稳定，介于80—100。管胞的弦向直径在生长轮内较为稳定，早材直径略大于晚材，范围在40μm—45μm之间；径向直径早材显着大于晚材，早材径向直径在60μm左右，晚材仅为20μm。管胞的双壁厚在5μm—15μm，其中早材部位较薄为5μm，向晚材逐渐增加至15μm。(2) X射线衍射法测定木材微纤丝角迅速、可靠，适于大量试样的测试，可以实现木材微纤丝角变异的系统研究。基于Origin软件的高斯函数法，物理意义明确，实现了对衍射谱的去噪、拟合的计算机快速实现。马尾松木材在所有高度上髓心处微纤丝角较大，均在20°—35°，向外至第8生长轮微纤丝角呈线性减小，8至14生长轮微纤丝角缓慢减小或者不稳定变化，14年以后微纤丝角度基本保持稳定。在纵向上，基部0m处的微纤丝角最大，成熟材部位微纤丝角介于16°—20°；3米高度成熟材部位微纤丝角介于12°—18°；6米与9米高度微纤丝角的差异不明显，成熟材部位微纤丝角介于10°—15°。幼龄材和成熟材部位晚材微纤丝角均小于早材处，其中幼龄材生长轮内早晚材的微纤丝角差异较大，可达10°；成熟材部位差异较小，仅有1°—3°。(3)零距拉伸技术可以迅速评价木材细胞的力学性能，可操作性强。对于人工林马尾松，零距拉伸试样的最佳厚度是80μm，最适宜的夹紧力为70psi。马尾松早材管胞的纵向抗拉强度介于316MPa—767MPa，平均548MPa，径向变化总体是从髓心向外逐渐增大，基部径向变异规律不明显；高度方向的变异是从树木基部向上逐渐增加。管胞的纵向抗拉强度随着角度的变化而变化，在0-15°之间，微纤丝角对纵向抗拉强度的影响较小；在15°-30°之间，管胞的纵向抗拉强度随角度的增大呈直线下降。(4)马尾松管胞细胞壁的弹性模量和硬度在壁厚方向不均匀，次生壁弹性模量显着大于复合胞间层；次生壁的硬度也略大。成熟材管胞次生壁的弹性模量和硬度均大于幼龄材，其中弹性模量大40％、硬度大13％；微纤丝角对细胞壁纵向弹性模量的影响程度大于对硬度的影响；次生壁和复合胞间层的弹性模量和硬度之间均存在显着的正线性相关。
江泽慧, 余雁, 费本华, 任海青, 张泰华[6]2004年在《纳米压痕技术测量管胞次生壁S_2层的纵向弹性模量和硬度》文中认为重点研究和详细介绍了利用纳米压痕技术测试管胞次生壁S2 层纵向弹性模量以及硬度的实验技术 ,并测试了人工林杉木早晚材管胞S2 层的纵向弹性模量和硬度。结果表明 :杉木晚材管胞S2 层的平均纵向硬度为0 390GPa ,弹性模量的平均值为 1 4 84 4GPa ;早材管胞S2 层的硬度和模量则小于晚材 ,平均值分别为 0 30 6GPa和9 82 3GPa。
程献宝[7]2011年在《初期褐腐对杉木宏观和组织力学性能的影响》文中提出本研究以人工林杉木(Cunninghamia lanceolata)制作而成的非标样(1.5mm厚木薄片和80μm厚零距拉伸微薄片)为研究对象,利用密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum)对其进行褐腐处理,以腐朽材质量损失率作为腐朽程度的判断标准,分别进行褐腐杉木木薄片纵向抗拉强度测试和杉木微薄片零距拉伸测试,从宏观水平和组织水平上探讨不同腐朽程度处理对杉木力学性能的影响,同时分别利用扫描电子显微镜观察腐朽试样内部显微结构变化,傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析技术测试腐朽杉木主要化学成分官能团和化学键的改变,以及X射线衍射分析技术测定腐朽杉木纤维素相对结晶度的变化情况来分析腐朽杉木力学性能变化的原因。主要结论如下:(1)腐朽试样的质量损失率随着腐朽时间的增长,腐朽程度的加深,呈现增大趋势,其中腐朽杉木木薄片试样每个处理水平的质量损失率下降幅度较为均匀,在腐朽后6周质量损失率达到10%;腐朽杉木零距拉伸实验试样在腐朽后12周至16周间质量损失率达到10%。外观较之正常材发生较明显变化,颜色呈现红褐色,而且随着腐朽时间的延长,颜色逐渐加深;褐腐处理材表面纤维容易剥落和产生裂纹,随着腐朽程度的加深,这种趋势越加明显,同时在气干状态下,腐朽材较之正常材更容易产生翘曲及扭曲变形,同时也更容易产生向内的收缩变形。(2)研究发现在本研究条件下所选用宏观小尺寸试样可以反映出宏观的力学性能,整个实验结果显示质量损失率与纵向抗拉强度及弹性模量之间存在明显的的相关性。1.5mm厚腐朽杉木木薄片纵向抗拉强度和弹性模量分别为102.861MPa和16.638GPa,变异系数分别为22.468%和30.155%,与未处理材相比均呈现出较为明显的下降趋势。当质量损失率分别为1.35%(第二周),5.03%(第四周),10.12%(第六周)时,腐朽杉木木薄片的纵向抗拉强度分别下降5.52%、13.21%、和29.86。在腐朽杉木木薄片纵向抗拉强度测试试验中,出现了两种主要的断裂形式:早晚材剥离型和齐断型,两种断裂方式中断口处均出现随着腐朽程度加深出现类似于纤维的拔出的现象;在组织水平上,腐朽杉木管胞纵向抗拉强度与未处理材相比有所降低,而且随着腐朽时间的延长,腐朽程度的加深,杉木管胞纵向抗拉强度呈现出逐渐下降的趋势。腐朽材质量损失为0.025%,与未处理材相比,管胞纵向抗拉强度下降了5.8%,表明即使在质量损失不是非常明显的情况下,腐朽材的力学性能较之正常材也会有较为明显的降低,与前人对腐朽材宏观力学性能的研究结果一致,表明在组织水平上以质量损失率为衡量腐朽程度时腐朽材所表现出的力学性能变化可以反应宏观水平上腐朽材的力学性能变化。(3)采用X射线衍射分析技术对腐朽杉木纤维素相对结晶度的变化情况做了分析,纤维素的结晶结构被褐腐菌分泌的纤维素酶降解破坏,结晶区逐渐转变为无定形区,从而使得腐朽材纤维素相对结晶度逐渐减小,同时无定形区纤维素大分子链更容易被褐腐菌降解为碳水化合物成为腐朽菌的生活养料,导致力学性能下降;利用傅里叶变换红外光谱分析技术对褐腐杉木主要化学成分进行了研究,褐腐菌对于作为木材力学性能的主要贡献者纤维素和半纤维素的降解体现在傅里叶红外光谱图中纤维素特征峰和半纤维素特征峰的显着减弱,导致褐腐材力学性能下降,同时木质素特征峰的吸收强度有小幅度的增强,表明木质素含量相对有小幅度的增加;通过扫描电子显微镜观察发现,随着腐朽程度的加深,褐腐菌对细胞壁的降解破坏越加严重,褐腐菌以管胞细胞壁上的纹孔为通道向四周管胞扩展,直接在细胞壁侵蚀形成孔洞较少,但会深入到细胞壁内部沿细胞轴向腐蚀细胞壁。杉木细胞壁主要化学成分纤维素和半纤维的降解直接导致纤维素相对结晶度的降低及细胞壁的破坏,进而导致腐朽杉木的质量和力学性能随着腐朽程度的逐渐减小和降低。
徐明, 任海青, 郭伟[8]2008年在《我国杉木材性变异研究进展》文中研究表明杉木是我国特有的重要树种,广泛应用在木制品各个领域,也是我国商品材的主要树种之一。本文在总结我国近年来杉木材性变异研究成果的基础上,概述了杉木材性的变异规律,并为今后的研究方向提出建议。
曹双平[9]2010年在《植物单根纤维拉伸性能测试与评价》文中研究表明植物单根纤维力学性能测量是当今木材科学领域的一项前沿技术,是在细胞水平上对单个的管胞或纤维直接进行轴向拉伸的技术。单根纤维尺寸微小,测量困难,被认为是一项国际性的难题。竹木单根纤维力学研究是引导竹木材等生物质材料力学性质研究走向深入的手段,可以将生物质材料力学研究从宏观提升到细胞水平,实现从微观层面研究材料宏观力学特性及其影响因素,对于最终把握竹木材力学性质的本质起源有重要意义;可以满足在竹木纤维基高分子复合材料研究中,对作为增强相的竹木纤维力学性能数据的迫切需求,为纤维选择性利用提供科学依据,指导产品制造工艺设计与改进,促进产品性能的优化。还能为人工林竹木材材性的基因改良提供量化的目标和指标,具有重要的现实和理论意义。单根纤维力学性能测试在国内属开创性课题,本研究在总结了前人研究的基础上,进行了单根纤维微拉伸力学性能测试技术的研究。在此基础上,研究了不同竹龄(2、4、6年生)毛竹中部靠近竹青的竹肉部分的单根纤维、30年生杉木幼龄材(第5年轮)、成熟材(第25年轮)晚材管胞力学性能,测量指标包括断裂载荷、横截面面积、拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率;对比研究了不同植物(毛竹、杉木、苎麻、洋麻)单根纤维力学性能;研究了不同测试环境湿度(40%、70%、90%)下,不同纤维(毛竹、杉木、苎麻、芳纶)力学性能对湿度的敏感性;探索性的研究了不同处理洋麻单根纤维的力学性能。通过研究取得主要结论如下:1、毛竹、杉木单根纤维力学性能(1)不同竹龄毛竹中部靠近竹青的竹肉部分微纤丝角相差不大,2、4、6年生分别为9.91°、9.61°、9.76°,不同竹龄毛竹微纤丝角相差不大,只是2年生微纤丝角比4、6年生略大。30年生杉木幼龄材与成熟材微纤丝角分别为34.88°、15.21°,相差很大。(2)2、4、6年生毛竹中部靠近竹青的竹肉部分的单根纤维拉伸强度、弹性模量、伸长率分别为1590MPa、1710MPa、1755MPa;23.6GPa、27.1GPa、26.4GPa;7.2%、7.0%、7.0%。纤维的力学性能随竹龄略有增加,但到第4年后,纤维基本达到成熟, 4年生与6年生纤维无论是在拉伸强度、弹性模量,还是在伸长率上都已非常接近。(3)30年生杉木幼龄材与成熟材晚材管胞力学性能差异显着,拉伸强度分别为558MPa、1258MPa,弹性模量分别为8.5GPa、19.9GPa,均相差在两倍以上;断裂伸长率分别为9.9%、6.6%,也相差了50%。且成熟材管胞表现出了较强的线弹性特性,而幼龄材管胞在拉伸过程中则表现了明显的塑性屈服阶段。这与微纤丝角及纹孔有关。(4)毛竹纤维在拉伸强度、弹性模量等方面的性能明显优于杉木纤维,更适合于作为增强相用在复合材料中。2、几种植物单根纤维力学性能比较研究(1)毛竹单根纤维(为4年生中部靠近竹青的竹肉部分的纤维)断裂强度最大,平均值达1710MPa,最大达2708MPa,杉木(为30年生第25年轮晚材管胞)与其他叁种纤维拉伸强度差异显着;苎麻纤维断裂伸长率最大,为8.9%,柔韧性最好;而洋麻纤维断裂伸长率明显小于其他叁种纤维,只有3.2%,但其弹性模量值却明显高于其他叁种纤维,平均达30.8GPa,最大达42.3GPa,刚性最大,是一种脆性纤维。(2)毛竹、杉木、苎麻、洋麻纤维断裂形式存在一定差异,其中苎麻纤维,毛竹纤维、杉木纤维的断口形状大多呈斜齿形,断口粗糙,表现明显的韧性断裂特性。因此这叁种纤维的断裂伸长率较大。杉木纤维一般断在纹孔比较密集或者有其他结构缺陷的地方。洋麻纤维的断口相对上述叁种纤维则平滑的多,表现出较强的脆性断裂特性。这与洋麻纤维较低的平均断裂伸长率的测试结果是一致的。(3)毛竹、杉木、洋麻、苎麻这四种纤维在纤维形貌、拉伸强度、伸长率、弹性模量、断裂形式等方面均呈现出其各自的特点,了解这些差异有利于我们更合理有效地利用好这些宝贵的资源。3、单根纤维力学性能对水分依赖特性(1)杉木(为30年生第25年轮晚材管胞)、毛竹(为4年生中部靠近竹青的竹肉部分的纤维)、苎麻、芳纶纤维力学性能对湿度变化的敏感程度不同,苎麻纤维对湿度变化最为敏感,而芳纶纤维几乎不感应外界湿度的变化。(2)与40%环境湿度下比,70%环境湿度下,毛竹、杉木、苎麻这几种天然纤维弹性模量均有所增大,90%环境湿度下却均有所下降。而芳纶纤维作为人造化学纤维,结构均匀、性能稳定,对外界湿度变化不敏感。4、不同处理洋麻单根纤维力学性能(1)离析温度对洋麻纤维力学性能影响较大,110℃下离析所得洋麻纤维力学性能优于160℃下离析所得洋麻纤维。它们的纤维平均断裂强度分别为1051MPa、810MPa;平均弹性模量分别为23.6GPa、13.5GPa,平均伸长率分别为4.5%、5.6%,均差异显着;在纤维形态上也存在一定差异,纤维的横截面面积分别为187μm2、141μm2。(2)100℃及160℃下纳米改性的洋麻纤维力学性能几乎不存在差异,只是在纤维形态上略有变化。它们的平均断裂强度分别为1001MPa、1032MPa,平均弹性模量分别为14.7GPa、14.6GPa,平均伸长率分别为6.6%、6.9%;纤维的横截面面积分别为150μm2、124μm2。
余雁, 江泽慧, 任海青, 费本华, 张波[10]2007年在《针叶材管胞纵向零距抗张强度的影响因子研究》文中研究表明对厚度为80μm的人工林杉木弦切片进行纵向零距抗张强度测试,以此快速评价管胞的抗张强度,重点探讨了管胞纵向抗张强度的一些重要影响因子。研究结果表明,S_2层微纤丝角对管胞的抗张强度有着显着影响,微纤丝角越小,管胞的抗张强度越大;含水率对管胞的抗张强度影响不显着;纤维素的聚合度小于757时与管胞的抗张强度存在正相关关系,但当聚合度大于757后对管胞的抗张强度没有显着影响;过度脱木素会削弱细胞壁内基质对微纤丝的应力传递作用,限制纤维素承载潜力的发挥,从而显着降低管胞的纵向抗张强度。
参考文献：
[1]. 人工林杉木管胞的纵向力学性质及其主要影响因子研究[D]. 余雁. 中国林业科学研究院. 2003
[2]. 杉木木材微纤丝角及其与力学性质关系研究[D]. 黄艳辉. 西北农林科技大学. 2007
[3]. 杉木木材性质研究进展[J]. 黄安民, 费本华, 刘君良. 世界林业研究. 2006
[4]. 人工修枝对提高杉木木材质量影响的研究[D]. 张群. 中国林业科学研究院. 2011
[5]. 马尾松木材管胞形态及微力学性能研究[D]. 张波. 中国林业科学研究院. 2007
[6]. 纳米压痕技术测量管胞次生壁S_2层的纵向弹性模量和硬度[J]. 江泽慧, 余雁, 费本华, 任海青, 张泰华. 林业科学. 2004
[7]. 初期褐腐对杉木宏观和组织力学性能的影响[D]. 程献宝. 中国林业科学研究院. 2011
[8]. 我国杉木材性变异研究进展[J]. 徐明, 任海青, 郭伟. 西北林学院学报. 2008
[9]. 植物单根纤维拉伸性能测试与评价[D]. 曹双平. 中国林业科学研究院. 2010
[10]. 针叶材管胞纵向零距抗张强度的影响因子研究[J]. 余雁, 江泽慧, 任海青, 费本华, 张波. 中国造纸学报. 2007