馬尾松木材管胞形態(tài)及微力學性能研究.pdf

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

2、、管胞縱向力學性能以及管胞壁層力學性能，在此基礎(chǔ)上探討了馬尾松管胞形態(tài)與管胞力學性能之間的關(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，到第8生長輪時逐漸趨于平緩。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射線衍射法測定木材微纖絲

5、角迅速、可靠，適于大量試樣的測試，可以實現(xiàn)木材微纖絲角變異的系統(tǒng)研究?；贠rigin軟件的高斯函數(shù)法，物理意義明確，實現(xiàn)了對衍射譜的去噪、擬合的計算機快速實現(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)可以迅速評價木材細胞的力學性能，可操作性強。對于人工林馬尾松，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。 管胞的縱向抗拉強度隨著角度的變化而變化，在0-15。之間，微纖絲角對縱向抗拉強度的影響較??；在15°-30°之間，管胞的縱向抗拉強度隨角度的增大呈直線下降。 (4)馬尾松管胞細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合胞間層；次生壁的硬度也略大。成熟材管胞次生壁