毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异

  目的  探明毛竹Phyllostachys edulis竹青、竹黄及竹肉不同部位的纤维形态、力学性能以及干缩性能等差异,为毛竹材高效利用提供基础数据。  方法  通过纤维离析与显微观察、力学性能与尺寸稳定性测试,分析比较毛竹材不同部位性能差异。  结果  毛竹材竹黄、竹肉与竹青不同部位中,纤维长度和宽度以及纤维占比差异极显著(P＜0.01)。竹青和竹黄的纤维长宽比较为接近,且极显著小于竹肉(P＜0.01)。竹青密布维管束,对毛竹材抗弯强度、弹性模量贡献最为大,其次为竹肉和竹黄。就顺纹抗压强度而言,从大到小依次为竹青、竹黄、竹肉。竹材横向干缩性明显大于纵向,全干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向。竹材不同部位中,径向和弦向气干干缩率的大小关系略有差异。  结论  毛竹材不同部位性能差异明显,竹黄抗压力学性能优于竹肉,可将竹黄保留用于制备新型竹木复合材料,有助于提高竹材利用率。图2表5参37     

黄藤材单纤维力学性能

将零距拉伸技术和单根纤维拉伸技术应用到藤材研究领域中,初步测试了黄藤材纤维的抗拉强度和弹性模量等力学性能指标.结果表明:通过零距拉伸技术测得的黄藤材纤维的抗拉强度为76.97～ 200.42 MPa,平均值为157.8 MPa;而通过单根纤维拉伸技术测得的黄藤材纤维的拉伸强度为166.12～880.24 MPa,平均值为540.72 MPa;弹性模量为1.91～11.58 GPa,平均值为4.62 GPa,伸长率为1.22％ ～ 17.24％,平均值为8.09％.这两种试验结果产生的差异可能是由于制取的试样不同造成的,但是从微尺度角度来评价藤材的微力学性能是可取的.     

金佛山方竹细胞构成、形态及细胞壁层构造变异性

  目的  为探究金佛山方竹细胞构成、形态及其细胞壁层构造特征,揭示其随竹龄、竹秆轴向部位的变化规律以及与环境气候因素的相关性,从而丰富其基础解剖数据,促进金佛山方竹秆材资源的高值化利用。  方法  以1 ~ 5年生金佛山方竹天然植株为研究对象,采用传统切片法和富兰克林离析法制得永久横纵切片和离析单根纤维,通过光学显微镜和场发射扫描电镜观察并测量其组织比量、维管束、纤维细胞、基本组织薄壁细胞以及细胞壁壁层结构等特征。  结果  金佛山方竹基本组织占比（体积比）最大,为56.16% ~ 65.92%;纤维组织占比次之,为27.69% ~ 34.18%;输导组织占比最小,为6.40% ~ 9.85%。维管束类型为开放型和半开放型,维管束密度、径向宽度和弦向宽度随竹龄、竹秆轴向变化差异均显著,宽度径弦比几乎一致,介于1.2 ~ 1.3之间。纤维细胞长度在1.7 ~ 2.1 mm之间,长宽比为110 ~ 133,属于长纤维等级。薄壁细胞形态多样,存在显著的竹壁径向差异。纤维细胞次生壁层数为奇数层,最高达9层,呈现出宽窄交替的特征;薄壁细胞次生壁层数也为奇数层,最高达9层,每层厚度近似相等,呈现出松紧相间的特征。竹壁不同位置的细胞壁层数存在差异性,但细胞壁最高层数随竹龄与竹秆轴向部位变化差异不显著。年平均降水量显著影响金佛山方竹的输导组织比量,呈负相关关系;气温显著影响维管束尺寸和薄壁细胞次生壁厚,前者呈负相关关系,后者呈正相关关系。  结论  金佛山方竹显微构造特征在竹龄和竹秆轴向部位两个变化模式下存在一定的构造差异性,但没有明显变化规律,3 ~ 4年生金佛山方竹显微构造特征相对趋于稳定。此外,环境气候因素与金佛山方竹解剖构造特征均存在一定的相关性,且与输导组织比量、维管束尺寸和薄壁细胞次生壁厚等存在显著相关性。      

利用扫描电镜原位拉伸研究竹材增韧机制

为了阐明竹材优良韧性的力学原理,以毛竹为研究对象,使用扫描电镜联用原位加载设备观察了竹材薄片纵向拉伸过程的裂纹扩展规律,并对断裂表面进行了组织水平、细胞水平、亚细胞水平的多尺度显微观察。结果表明:竹材纵向拉伸断裂裂纹拓展一般呈阶梯型展开。维管束与基本组织之间、竹纤维与薄壁组织细胞之间、纤维和薄壁细胞的壁层之间均有明显的分层现象,表明竹材断裂过程中存在从组织到细胞,乃至亚细胞水平的多级弱界面。这些弱界面可以有效阻碍裂纹扩展,增加断裂消耗功,从而显著增强竹材的韧性。      

基于硬头黄竹材质变异分析的伐竹年龄判定

以四川产硬头黄竹Bambusa rigida为研究对象,参考国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》与竹材径向加压抗弯性质测定方法,并结合单因素方差分析方法(ANOVA),对竹龄为0.5~4.5 a的竹材物理力学性质进行研究,为硬头黄竹择龄伐竹提供参考。结果表明:(1)竹龄在0.5~4.5 a间,竹材生材含水率、干缩率逐渐减小,基本密度逐渐增大;(2)竹龄为3.5 a时,竹材顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量达到最大,顺纹抗剪强度达到稳定;(3)由竹秆基部至梢部,竹材生材含水率、干缩率呈下降趋势,基本密度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度与抗弯弹性模量呈增大趋势,而顺纹抗剪强度、抗弯强度与抗弯弹性模量在竹龄为4.5 a的竹秆梢部出现下降;(4)竹龄为3.5 a的竹材材性基本达到稳定,生材含水率、基本密度、干缩率、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别为60.67%,0.72 g·cm~(-3),12.54%,82.41 MPa,11.99 MPa,237.13 MPa和8.32 GPa。推荐材质成熟的硬头黄竹伐竹年龄为3.5 a。     

龙竹和绿竹竹材壁厚度方向的梯度力学性能

为探究竹材壁厚度方向的梯度特性，以产于云南的龙竹Dendrocalamus giganteus和产于浙江的绿竹Dendrocalamopsis oldhami为研究对象，将它们沿竹壁厚度方向分为若干个轴单板层，通过万能材料力学试验机测得竹材的表观弹性模量及2个轴单板层的弹性模量，并用拉格朗日插值法推算出其余任意层的弹性模量。通过复合材料力学方法构建了竹材表观弹性模量和各个轴单板层弹性模量之间内在关系的力学模型；由构建的力学模型推算得到的竹材表观弹性模量与试验机上测得的弹性模量基本吻合。图3表2参10     

毛竹材抗拉弹性模量及抗拉强度

将天然毛竹材视为纤维与基体两种组分材料的构成的复合材料，以一个维管束及周围所辖薄壁组织细胞为分析单元进行微观力力性能分析，得出以组分材料性能与含量表示的宏观性抗弹性模量和极限抗强度计算式，实验结果表明，毛竹材组分含量沿壁厚及秆高变异显著，组分（即纤维与基体）的抗拉弹性模量分别为２７．６０ＧＰａ和６．０６ＧＰａ，抗拉强度分别为５４７．６８ＭＰａ和７４．６０ＭＰａ，毛竹材的宏观抗拉弹性模量及强度同组分     

γ辐射检疫处理对青皮竹化学成分和力学性能的影响

竹材的昆虫检疫处理对提高竹材及竹制品的品质十分重要。本文采用60Co-γ射线对青皮竹进行检疫处理,在考察了各辐射剂量的抑虫效果后,研究辐射剂量对青皮竹主要化学成分和力学性能的影响,分析青皮竹化学成分与力学性能之间的相关性。结果表明:辐射剂量越大,抑虫效果越好。在辐射剂量为50、60 Gy时,纤维素质量分数和结晶度均增加,半纤维素质量分数降低,木质素质量分数有小幅增加。当辐射剂量达到80 Gy时,纤维素质量分数和结晶度均下降明显,半纤维素质量分数增加明显,木质素质量分数继续增加。50 Gy剂量下,青皮竹的抗弯强度、抗弯弹性模量没有显著变化,抗剪强度、抗拉强度有少许增加;在60 Gy的剂量下,力学强度增加明显,其中抗弯强度增加10.7%,抗弯弹性模量增加5.3%,抗剪强度增加16.5%,抗拉强度基本不变;当辐射剂量增加到80 Gy时,材料的力学性能大幅下降,抗弯强度、抗弯弹性模量、抗剪强度、抗拉强度分别下降了46.5%、37.6%、19.5%、33.9%。化学成分与力学性能相关性分析表明:在本文的研究条件下,纤维素质量分数、结晶度与青皮竹的抗弯强度、抗弯弹性模量、抗剪强度、抗拉强度呈正相关,其中受影响最大的是抗剪强度;木质素、半纤维素质量分数与竹材力学强度呈负相关,半纤维素质量分数比木质素质量分数对这些力学强度影响更大。      

苎麻茎秆的力学性能研究

对成熟苎麻茎秆进行横观各向同性假设,参照塑料拉伸、压缩和金属扭转试验以及夹层结构弯曲性能试验的要求和标准,分别对苎麻茎秆、木质部进行拉伸、压缩、弯曲和扭转试验,对韧皮层进行拉伸、压缩试验,测定苎麻茎秆的基本力学参数。结果表明:苎麻茎秆拉伸弹性模量为1 013.19 MPa,压缩弹性模量为14.63 MPa,剪切模量为87.15 MPa,同性面泊松比为0.38,异性面泊松比小于0.016 6;木质部拉伸弹性模量为1 021.85 MPa,压缩弹性模量为16.99 MPa,剪切模量为99.05 MPa,同性面泊松比为0.33,异性面泊松比小于0.020 5;韧皮纤维层拉伸弹性模量为2 004.18 MPa,压缩弹性模量为4.01 MPa,剪切模量为38.76 MPa,同性面泊松比为0.58,异性面泊松比小于0.001 9。     

中部烟叶主脉的力学特性试验

以中烟100的中部烟叶主脉为试验对象,在1 000 N微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验,测得主脉拉伸力-变形曲线,以及主脉拉伸的最大载荷、拉伸强度和弹性模量等力学指标。结果表明:在不同的加载速度下,中部烟叶主脉拉伸力-变形曲线与断口类型有3种情况,分别是平齐状、凹凸状和阶梯状;中部欠熟烟叶主脉拉伸的平均最大载荷为136.4 N,平均拉伸强度为2.06 MPa,平均弹性模量为39.65 MPa;中部成熟烟叶主脉的平均最大载荷为131.0 N,平均拉伸强度为1.85 MPa,平均弹性模量为34.41 MPa;对中部和下部烟叶主脉的力学性能进行了对比,结果显示,中部烟叶采收需要更大的力。试验结果为中部烟叶采收和烟草采收机械的设计提供了理论依据。     

长白落叶松木材单根管胞力学性能分析

为了评价长白落叶松木材作为纸浆材的管胞力学强度,采用单纤维拉伸技术开展了长白落叶松早晚材单根管胞拉伸力学性能研究。结果表明,长白落叶松早材单根管胞拉伸弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率的均值分别为9.64 GPa、714.05 MPa及6.01%,晚材的均值分别为12.74 GPa、963.85 MPa、和8.60%。方差分析表明长白落叶松早晚材间单根管胞拉伸弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率存在极显著差异（0.01水平）,晚材单根管胞力学性能显著高于早材;单根管胞弹性模量和拉伸强度在径向年轮间的变异极显著（0.01水平）,断裂伸长率在年轮间的差异性不显著。在株内径向上,长白落叶松单根管胞力学性质均随着年轮的增加而增加;在株内纵向上,单根管胞拉伸的弹性模量和拉伸强度变异性极显著（0.01水平）,而断裂伸长率在纵向上的变异性不显著。该结论为长白落叶松木材的适材适用和定向培育提供了理论依据。     

长白落叶松木材单根管胞力学性能分析

为了评价长白落叶松木材作为纸浆材的管胞力学强度,采用单纤维拉伸技术开展了长白落叶松早晚材单根管胞拉伸力学性能研究。结果表明,长白落叶松早材单根管胞拉伸弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率的均值分别为9.64 GPa、714.05 MPa及6.01%,晚材的均值分别为12.74 GPa、963.85 MPa、和8.60%。方差分析表明长白落叶松早晚材间单根管胞拉伸弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率存在极显著差异(0.01水平),晚材单根管胞力学性能显著高于早材;单根管胞弹性模量和拉伸强度在径向年轮间的变异极显著(0.01水平),断裂伸长率在年轮间的差异性不显著。在株内径向上,长白落叶松单根管胞力学性质均随着年轮的增加而增加;在株内纵向上,单根管胞拉伸的弹性模量和拉伸强度变异性极显著(0.01水平),而断裂伸长率在纵向上的变异性不显著。该结论为长白落叶松木材的适材适用和定向培育提供了理论依据。     

不同竹龄和部位对毛竹纤维形态及结晶度的影响

  目的  研究竹龄与部位对毛竹Phyllostachys edulis纤维形态及结晶度的影响,为实现毛竹在制浆造纸、竹纺织品等工业生产中的高效选材利用提供基础数据。  方法  采用纤维离析法,借助普通光学显微镜,测定纤维形态;通过Segal法计算相对结晶度。  结果  竹龄主要影响竹材的纤维长度,纤维长度随竹龄的增长而增大,且80%的纤维长度为1 000~2 500 μm,属长纤维。轴向高度对毛竹材纤维形态的影响较小,纤维壁腔比、长宽比在3个取样部位间差异显著(P＜0.05),但未有明显变化规律;轴向上,不同位置纤维长度未见显著差异。径向纤维长度从大到小依次为竹肉、近竹青、近竹黄;结晶度与竹龄无明显关系,径向上由近竹黄到近竹青呈现递增趋势。在影响竹材纤维形态的因子中,竹龄贡献率最大,影响最为明显。  结论  毛竹纤维形态受竹龄影响最大,受径向取样部位影响明显,轴向高度影响较小,所有部位纤维可用于工业生产,建议将竹龄作为原材料筛选的优先指标。图6表6参22     

文冠果不同种质资源的叶片解剖结构分析及抗旱性评价

  目的  评价文冠果Xanthoceras sorbifolium不同种质资源在干旱地区的适应能力，为干旱、半干旱地区筛选抗旱文冠果种质提供依据。  方法  以内蒙古自治区通辽市文冠果种质资源圃内前期筛选的200份丰产型文冠果种质资源的叶片为材料，通过制作石蜡切片对叶片解剖结构进行观测，测定了叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、蜡质层厚度等13个与文冠果抗旱性相关的指标，并基于因子分析、聚类分析和隶属函数分析的方法评价不同文冠果种质资源的抗旱性。  结果  文冠果叶片解剖结构指标之间具有显著的相关性，基于因子分析法提取了4个公因子，对变异的累计贡献率达89.99%，涵盖了13个指标的大部分信息，对文冠果抗旱性的影响程度依次为:F₁ (厚度指数因子)＞F₂ (组织指数因子)＞F₃ (表皮占比因子)＞F₄ (蜡质层占比因子)。  结论  F₁公因子中载荷较大的上/下表皮厚度、栅栏组织厚度和导管直径可作为评价文冠果抗旱性的主要指标。筛选出的90份抗旱型种质资源能兼顾丰产和节水抗旱的优点，可为干旱地区提供适宜的种质材料。图1表6参32     

油用牡丹茎秆切割本构方程及其参数测定

  目的  油用牡丹是我国特有的木本油料树种，属于多年生小灌木，其果实采收可以采用茎秆切割的方式，而灌木茎秆切割机理研究一直是林业生产中的难点问题之一。研究灌木茎秆在不同应变率下的动态力学性能并建立其本构模型对茎秆切割有着重要意义。  方法  通过准静态拉伸试验和动态拉伸试验，研究茎秆塑性变形特点，并提出以Johnson-Cook模型作为本构模型，根据模型参数的物理意义，试验拟合得到模型参数。采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟分析了油用牡丹茎秆切割过程，并对仿真结果与试验结果进行了相关性分析。  结果  准静态拉伸试验结果表明茎秆断裂过程存在明显的应变硬化现象；动态拉伸试验结果说明茎秆断裂存在显著的应变率效应，拉伸强度随应变率增加而增加；基于试验结果拟合得到了Johnson-Cook模型作为茎秆本构方程时的材料参数值；应用这些参数的模型在茎秆切割仿真中，切割力与切割能量与试验结果对比均无显著性差异，验证了本构方程及参数测定的准确性。  结论  基于Johnson-Cook模型建立了油用牡丹茎秆切割本构方程并验证了其可靠性，为油用牡丹茎秆切割性能的数值模拟研究及采摘机割刀设计提供了依据。      

成熟期巨菌草底部茎秆力学特性试验

研究巨菌草(Pennisetum sinese Roxb)茎秆力学特性及其变化规律是建立巨菌草茎秆材料力学模型与本构关系的重要基础。利用SNAS微机控制电子万能材料试验仪对成熟期巨菌草底部茎秆进行顺纹拉伸、压缩、弯曲试验,获得其在试验条件下的应力-应变曲线,并进行分析。试验选取的巨菌草底部茎秆平均含水率为75%,测得的巨菌草底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度的平均值为93.2 MPa,弹性模量平均值为593.8 MPa;顺纹压缩最大抗压强度平均值为10.1 MPa,弹性模量平均值为126.4 MPa;顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为11.3 MPa,弹性模量平均值为610.5 MPa。表明巨菌草茎秆的拉伸破坏应力参数与苜蓿(Medicago L.)、毛竹[Phyllostachys heterocycla(Carr.)Mitford cv.Pubescens Mazel ex H.de Leh.]相近,而压缩与弯曲破坏应力参数却远小于芦竹(Arundo donax L.)。因此,所获成熟期巨菌草底部茎秆力学特性参数,可为巨菌草机械切割设备的设计提供理论指导和基础技术参数。     

铜唑防腐剂对杨木重组木防腐性能及物理力学性能的影响

  目的   探讨铜唑（CuAz）防腐剂对重组木化学组分、防腐性能和物理力学性能的影响，以提高重组木的户外耐久性。  方法   采用水溶性CuAz防腐剂对杨木纤维化单板进行常压和真空浸渍处理，以酚醛胶为胶黏剂压制防腐重组木。  结果   CuAz防腐剂能进入导管、木射线和纤维等细胞的细胞腔和细胞壁中，并与细胞壁的半纤维素和木质素发生络合反应。经过白腐采绒革盖菌Coriolus versicolor和褐腐密黏褶菌Gloeophyllum trabeum 12周侵蚀，防腐重组木的质量损失率均小于10%，达到强耐腐等级。防腐重组木的吸水率、吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率均低于未经防腐处理的重组木。同时，防腐重组木的弹性模量和水平剪切强度优于未经防腐处理的重组木，但静曲强度相比对照组有所降低。  结论   CuAz防腐剂处理重组木，可提高重组木耐腐性能，改善其物理力学性能。     

桐油处理对竹材抗老化性能的影响

[目的]研究桐油处理对竹材抗老化性能的影响。[方法]分别以金竹和楠竹为研究对象,研究桐油浸泡处理的2种竹材在WCAMA 6循环加速老化完成后,其抗拉强度、抗压强度、抗拉弹性模量的变化,用4种指标的平均保留率来揭示桐油对竹材抗老化性能的影响。[结果]虽然2种竹材的力学性能有一定差异,但在加速老化试验完成后2种竹材的抗压强度和抗拉弹性模量的保留率均很高,同时桐油处理试件的抗拉强度和抗压弹性模量的保留率与未经桐油处理的相比有所降低。[结论]桐油处理对评判竹材抗老化性能关键指标抗压强度提高最为明显,而难以提高其在加速老化环境下的抗拉强度和抗压弹性模量。在竹结构设计工作中,这些力学性能指标可为桐油处理后竹材抗老化性研究提供参考依据。     

基于修剪机械设计的龙眼树枝力学特性试验

为获得龙眼树枝力学特性基础参数,在精密型万能试验机上对修剪期龙眼树枝进行了压缩、拉伸和剪切试验。结果表明:龙眼树枝顺纹抗压强度为18.33~27.77 MPa,平均值为23.68 MPa;抗压弹性模量为351.51~835.85 MPa,平均值为547.2 MPa;抗压强度与压缩能之间呈显著指数函数正相关;龙眼树枝顺纹抗拉强度为40.26~70.28 MPa,平均值为52.12 MPa;剪切强度为9.05~13.42 MPa,平均值为11.44 MPa,峰值剪切力与树枝横截面面积呈极显著线性函数正相关,剪切功与树枝横截面面积呈极显著幂函数正相关。     

蔺草底部茎秆解剖构造与力学性能

蔺草Juncus effusus茎秆是一种优质天然纤维。研究蔺草茎秆解剖构造与力学性能,为全面了解蔺草及其纤维的开发利用提供理论依据。以5份蔺草种质为研究对象,观测其解剖构造,运用电子万能力学试验机测试其力学性能,并分析解剖构造与力学性能之间的关系。结果表明:蔺草底部茎秆微观结构分为表皮、基本组织、维管束和髓;蔺草纤维呈纺锤形,长度为681.47～712.04 μm,宽度为5.58～8.00 μm,壁腔比范围为1.194～1.556;5份蔺草种质底部茎秆的最大拉力范围为61.59～72.71 N,XY004的最大拉力最高,拉伸强度为33.28～59.11 MPa,XY003的拉伸强度最大,拉伸弹性模量为1 438.23～2 297.10 MPa;蔺草底部茎秆拉伸强度、拉伸弹性模量与其维管束总数目呈极显著正相关,相关系数分别为0.818和0.724,与茎壁厚/茎半径也呈极显著正相关,相关系数分别为0.740和0.748,与纤维的壁腔比呈显著正相关,相关系数分别为0.584和0.663,与粗纤维质量分数无显著相关性;蔺草底部茎秆力学性能主要取决于茎秆维管束总数目、基本组织厚度和纤维的壁腔比以及各组织及其各细胞之间的连接形式和连接强度。供试的5份蔺草种质中,XY003和XY004底部茎秆具有较高的强度和良好的弹性,可作为优良蔺草品种选育的种质资源。图4表4参33