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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


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