馬尾松木材管胞形態(tài)及微力學(xué)性能研究.pdf

1、木材是由多細(xì)胞組成的具有復(fù)雜層狀結(jié)構(gòu)和特殊分子力學(xué)現(xiàn)象的生物復(fù)合材料。木材的宏觀力學(xué)行為與細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)、細(xì)胞間的連接方式以及細(xì)胞構(gòu)成木材的幾何方式密切相關(guān)。研究木材細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，對(duì)于在管胞和分子水平運(yùn)用力學(xué)原理建立多細(xì)胞相互作用的力學(xué)模型，最終把握木材的力學(xué)行為機(jī)理有重要意義。 本文以組織結(jié)構(gòu)較為簡單的針葉材馬尾松為研究對(duì)象，在總結(jié)歸納木材微觀力學(xué)領(lǐng)域研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了馬尾松管胞形態(tài)、微纖絲角度

2、、管胞縱向力學(xué)性能以及管胞壁層力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上探討了馬尾松管胞形態(tài)與管胞力學(xué)性能之間的關(guān)系。主要內(nèi)容包括：馬尾松管胞形態(tài)參數(shù)(長度、寬度、長寬比、徑向直徑、弦向直徑、壁厚)以及微纖絲角度在徑向、縱向和生長輪內(nèi)的變異規(guī)律；管胞的縱向抗拉強(qiáng)度在徑向、縱向和生長輪內(nèi)的變異及其與管胞形態(tài)之間的關(guān)系；管胞壁層納米壓痕彈性模量、硬度在壁層厚度方向上的的變化及其與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。得到如下結(jié)論： (1)馬尾松管胞長度徑向變異：從髓心向外至第8生

3、長輪管胞長度呈線性增加；8-14生長輪管胞長度不規(guī)則變化并達(dá)到一較高值；14生長輪后管胞長度略有減小，總體趨于穩(wěn)定。馬尾松管胞長度符合正態(tài)分布，幼齡材部位60％的管胞長度分布約為2500μm—4000μm，成熟材70％的管胞長度分布在4000μm—5500μm。 管胞寬度從髓心向外總體呈遞增趨勢(shì)，到第8生長輪時(shí)逐漸趨于平緩。髓心附近管胞寬度最小為40μm；成熟材部位管胞寬度，3 m高度處為45μm；6 m高度處為50μm；9 m

4、高度處為55μm。 馬尾松管胞的長寬比在近髓心處最小為55，髓心向外至第8生長輪管胞長寬比呈線性增加達(dá)到80，第8生長輪后趨于穩(wěn)定，介于80—100。管胞的弦向直徑在生長輪內(nèi)較為穩(wěn)定，早材直徑略大于晚材，范圍在40μm—45μm之間；徑向直徑早材顯著大于晚材，早材徑向直徑在60μm左右，晚材僅為20μm。管胞的雙壁厚在5μm—15μm，其中早材部位較薄為5μm，向晚材逐漸增加至15μm。 (2)X射線衍射法測(cè)定木材微纖絲

5、角迅速、可靠，適于大量試樣的測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)木材微纖絲角變異的系統(tǒng)研究。基于Origin軟件的高斯函數(shù)法，物理意義明確，實(shí)現(xiàn)了對(duì)衍射譜的去噪、擬合的計(jì)算機(jī)快速實(shí)現(xiàn)。 馬尾松木材在所有高度上髓心處微纖絲角較大，均在20°—35°，向外至第8生長輪微纖絲角呈線性減小，8至14生長輪微纖絲角緩慢減小或者不穩(wěn)定變化，14年以后微纖絲角度基本保持穩(wěn)定。在縱向上，基部0 m處的微纖絲角最大，成熟材部位微纖絲角介于16°—20°；3米高度成熟材

6、部位微纖絲角介于12°—18°；6米與9米高度微纖絲角的差異不明顯，成熟材部位微纖絲角介于10°～15°。幼齡材和成熟材部位晚材微纖絲角均小于早材處，其中幼齡材生長輪內(nèi)早晚材的微纖絲角差異較大，可達(dá)10°；成熟材部位差異較小，僅有1°—3。。 (3)零距拉伸技術(shù)可以迅速評(píng)價(jià)木材細(xì)胞的力學(xué)性能，可操作性強(qiáng)。對(duì)于人工林馬尾松，零距拉伸試樣的最佳厚度是80μm，最適宜的夾緊力為70 psi。馬尾松早材管胞的縱向抗拉強(qiáng)度介于316 MP

7、a—767 MPa，平均548 MPa，徑向變化總體是從髓心向外逐漸增大，基部徑向變異規(guī)律不明顯；高度方向的變異是從樹木基部向上逐漸增加。 管胞的縱向抗拉強(qiáng)度隨著角度的變化而變化，在0-15。之間，微纖絲角對(duì)縱向抗拉強(qiáng)度的影響較??；在15°-30°之間，管胞的縱向抗拉強(qiáng)度隨角度的增大呈直線下降。 (4)馬尾松管胞細(xì)胞壁的彈性模量和硬度在壁厚方向不均勻，次生壁彈性模量顯著大于復(fù)合胞間層；次生壁的硬度也略大。成熟材管胞次生壁