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《中国林业科学研究院》 2003年
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人工林杉木管胞的纵向力学性质及其主要影响因子研究

余雁  
【摘要】: 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著降低,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)变异不显著。 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著,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
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:S781.8

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【引证文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 朱丽娜;王海斗;徐滨士;;基于纳米压痕技术的FeCrBSi涂层的力学性能研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
2 郭锐;沈繁宜;;侧柏(Platycladus Orientalis L.)木质部栓塞修复机理的实验研究[A];中国植物生理学会第九次全国会议论文摘要汇编[C];2004年
3 张俊宝;史弼;杨晓萍;王秀芳;宋洪伟;;GCr15钢微观组织力学表征[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
4 沈繁宜;高荣孚;刘文吉;孙丽川;;迅速供水时木质部栓塞修复过程的物理分析[A];中国植物生理学会第九次全国会议论文摘要汇编[C];2004年
5 罗迎社;马敏伟;;电沉积镍薄膜流变性能研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
6 林益贤;黄玉芬;陈荣锐;;百日草木质化过程的研究[A];海峡两岸电子显微学讨论会论文专集[C];1991年
7 史弼;宋洪伟;张俊宝;王秀芳;曹涵清;;钢铁材料中超细晶粒铁素体纳米压痕表征[A];2005中国钢铁年会论文集(第3卷)[C];2005年
8 郎风超;邢永明;侯睿;;316L不锈钢表面纳米结构的力学性能研究[A];第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2009年
9 郑辉;王甲世;宋书涛;郑学军;;纳米压痕结合有限元法确定横观各向同性薄膜的力电耦合参数[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
10 周亮;姚英学;刘琦;;基于能量平衡方法的硬度压痕尺寸效应分析研究[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 丛生;保护古树名木漫谈[N];中国建设报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 余雁;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];中国林业科学研究院;2003年
2 黄亚敏;基于电子背散射衍射和纳米压痕技术的奥氏体不锈钢微结构与性能关系研究[D];武汉大学;2010年
3 张双燕;化学成分对木材细胞壁力学性能影响的研究[D];中国林业科学研究院;2011年
4 由继红;红松与濒危植物前红松的比较研究[D];东北师范大学;2004年
5 王立昌;针叶材构造数字模拟系统的建立及其在热传导研究中的应用[D];北京林业大学;2006年
6 吴燕;稻秸细胞壁力学性能及其纤维复合材料研究[D];南京林业大学;2009年
7 黄永江;TiZrNiCuBe块体非晶合金的力学行为[D];哈尔滨工业大学;2008年
8 王凤江;基于纳米压痕法的无铅BGA焊点力学性能及其尺寸效应研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
9 巩其亮;银杏无性系材性遗传变异及良种选择[D];山东农业大学;2009年
10 牛晓燕;微电子封装中无铅焊点的实验研究与可靠性分析[D];太原理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郭锐;裸子植物管胞切片栓塞修复的研究[D];北京林业大学;2005年
2 赵凤娟;银杏演化结构研究[D];东北师范大学;2004年
3 刘杨;华山松与前红松的比较解剖学研究[D];东北师范大学;2006年
4 黄艳辉;杉木木材微纤丝角及其与力学性质关系研究[D];西北农林科技大学;2007年
5 高雪玉;基于纳米压痕技术的碳纤维增强复合材料原位力学性能测试[D];北京工业大学;2012年
6 刘志远;基于纳米压痕技术的生物材料微尺度力学性能研究[D];北京工业大学;2011年
7 洪磊;基于纳米压痕技术与有限元法的粘弹性材料力学特性研究[D];安徽大学;2011年
8 符韵林;不同生长环境的杉木木材解剖研究[D];广西大学;2003年
9 郑玲;单叶双盖蕨属(蹄盖蕨科)的分类学研究[D];西北大学;2006年
10 邓继峰;杂种落叶松自由授粉家系纸浆材遗传变异研究及多性状联合选择[D];东北林业大学;2011年
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