微观力学表征技术的发展及其在木材科学领域中的应用

微观力学表征技术是表征材料微纳米力学性能的重要技术手段,目前已被广泛用于表征材料的超微构造和解析材料的力学行为。随着材料科学研究尺度缩小,微观力学表征技术逐步从纳米向超纳米、从分子向超分子甚至粒子水平发展。按照试样信息的不同方式,微观力学表征技术主要包括纳米力学测试技术(探针技术)和超纳米力学测试技术(显微镜技术);其中,纳米力学测试技术包括准静态纳米压痕技术、动态纳米压痕技术和动态模量成像技术,超纳米力学测试技术包括原子力显微镜技术和基于原子力显微镜技术的新型微观力学表征技术。木材是一种多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子复合材料,其超微结构是细胞壁由不同厚度的层次组成。细胞壁是决定木材和木质纤维材料性能的主要因素,是木材的实质承载结构;细胞壁的力学性能是由壁层结构、化学组成的分布与结合方式决定的。开展木材和改性木材细胞壁纳观尺度的力学性能、分布及影响对实现木基复合材料的高效设计具有重要意义。自Wimmer等首次将纳米压痕技术应用于天然木材细胞壁微观力学后,国内外学者主要采取准静态纳米压痕测量技术和动态纳米压痕测量技术对不同树种木材以及化学改性和生物改性木材细胞壁的硬度、弹性模量、蠕变特性与黏弹性等力学性能进行了研究。木质材料界面作为纳米级厚度的界面相或者界面层,不仅影响木质材料的强度、刚度,而且影响木质材料的断裂韧性等。界面力学是决定木基复合材料整体力学性质的关键,是引起材料变形、强度下降的主要原因。研究界面的属性和特征对于木基复合材料整体属性的评价以及结构的优化设计有一定参考价值,研究内容涉及有胶合界面、纤维增强聚合物界面以及木制品涂层的微观力学。随着研究尺度逐渐缩小,微观力学表征技术趋向高分辨率及数据定量化,如今已能在纳米级分辨率下进行力学信息成像,为木材科学领域的研究提供了方便。微观力学表征技术在木材科学领域中的应用尚具有较大潜力,但仍有较多方向尚未涉及,还应在以下3方面展开研究:一是需要开展微观力学技术在木材科学领域应用的标准化研究,规范测试过程,确保测试结果的可靠性和一致性;二是建立木质材料宏观到微观的完整力学体系,从本质上剖析木质材料的力学行为,在纳米尺度上表征木质材料的性质和失效机制;三是随着木材科学领域研究的深入,需建立微观力学与微观化学、微观物理、微观环境学的联系,丰富木材及木基复合材料在微纳尺度的研究。     

木材细胞壁力学性能与细胞壁组分和构造的相关性研究

细胞壁是木材的承载结构,是木材最主要的组成和利用部分。基于细胞水平的微观研究,主要分析了木材细胞壁力学性能与其组分及微观构造的相关性,分别从细胞壁木质素、半纤维素、纤维素和微纤丝角四个方面阐述了其对细胞壁刚性、硬度、弹性模量、抗拉强度和断裂伸长率等微观力学性能的影响。并且依据目前细胞壁力学性能的研究现状,对今后的研究方向提出了展望。建议今后加强分子层面机理研究并加强细胞壁力学与实际应用的关系探究。     

纳米压痕技术在木质材料细胞壁力学研究中的应用

近年来, 纳米压痕技术作为测试材料微观力学性能的一项重要技术手段发展迅速, 并且已经被引入木质材料研究领域, 成为测试木质材料细胞壁力学性能的有力工具。文中简单介绍纳米压痕技术及其工作原理, 并论述近年来国内外学者利用纳米压痕技术研究木质材料细胞壁力学性能的进展和所遇到的问题, 提出纳米压痕技术在该领域的潜在应用方向, 旨在为木材细胞壁力学性能基础研究与木质材料科学利用提供借鉴。     

基于AFM的木质材料的纳米压痕技术

基于AFM的纳米压痕技术是微纳米尺度下研究木材及木质材料硬度和弹性模量的重要方法,介绍了AFM工作原理,以及纳米压痕技术测试木质材料硬度、弹性模量等力学性能的原理,总结了木材科研领域中原子力显微技术的应用现状,并对今后的研究方向提出了展望.     

木材多尺度孔隙结构及表征方法研究进展

介绍木材中宏观－介观－微观多尺度孔隙的分布、孔隙尺寸、孔隙形貌等孔隙结构,木材自身因素及干燥、热解等加工处理对孔隙结构的影响,压汞法等木材传统孔隙结构表征方法的优缺点,差示扫描热孔计法、核磁共振冷孔计法和超极化129 Xe 核磁共振法等新兴表征技术的基本原理,提出今后应结合多种表征技术重点探索木材介微观孔隙结构,以此为切入点探讨木材的物理力学性能,以期有助于推动木材孔隙结构的深入研究及其在其他领域的应用。     

热处理对木材力学性能的影响综述

热处理可有效提高木材尺寸稳定性,同时对木材力学性能也有明显的影响。文中按照力学指标分别综述热处理工艺对静曲强度/弹性模量、抗压强度、脆性/冲击韧性及其他力学性能的影响,进而总结热处理对木材力学性能影响机理的研究进展;提出可以从以下方面深化热处理技术的研发:一是热处理技术研发时宜根据应用领域科学选择合适的力学指标,二是进一步拓展热处理介质以控制力学性能损失,三是进一步探索热处理对木材不同力学指标的影响机理。     

木材胶合界面性能表征技术研究进展

木材胶合界面是指同时包含木材细胞壁和胶粘剂的区域。在木质胶合产品的加工工艺选择与使用性能评价中,胶合界面发挥着重要作用,其中胶粘剂渗透性能和界面力学性能是重要的评判标准。目前,用于表征胶合界面性能的技术包括光学显微技术、电子显微技术、X射线成像技术、微观力学测试技术等。文中通过对比各表征技术,提出进一步研究界面结合强度的表征、微观力学模型的建立、界面力学特性与木质胶合产品宏观性能的关系等将是未来的探索方向。     

木材科学与技术研究新进展

木材作为世界四大基础材料中(钢铁、水泥、塑料、木材)唯一的可再生资源,广泛应用于家具、建筑、能源、新材料等领域,与人们的生活息息相关,已成为国民经济重要支柱产业。从木材微观分子生物学到宏观木结构,再到新型木质纳米材料进行全面阐释,对于木材科学与技术领域的基础理论研究和重大核心技术突破具有重要指导意义。木材科学与技术已发展为综合性的交叉学科,资源、环境和科学技术的发展,使得木材科学与技术领域的基础理论研究和关键技术取得了一系列的重大突破。笔者从微观的细胞分子层面到宏观的木结构和木建筑,从木材构造与材性、木材水分及干燥、木材保护与改良、木材重组与复合、木制品与木结构、木材解离与组装、木材解构及转化等方面,概述了木材科学与技术的经典理论,重点总结分析了近二十年来木材科学与技术领域取得的系列新进展,概括木材及其衍生材料在新型先进纳米复合材料领域的应用,并展望了木材科学与技术领域未来的研究热点和发展方向,以期为我国林产工业,特别是木材加工产业的科技进步和产业结构调整与升级提供理论和技术支撑。     

光谱成像技术在木材改性研究领域的应用进展

木材改性技术是木材提质增效的主要手段。改性剂筛选、改性工艺优化以及改性机理解析等都离不开先进的表征分析技术。光谱成像技术将光谱分析技术与显微成像技术相结合,能够精确表征样品物理化学结构,甚至微观性能,已成为木材改性研究的重要工具。针对近年来光谱成像技术在木材改性研究领域的应用现状,本文主要从红外光谱成像、拉曼光谱成像和激光共聚焦显微成像技术等方面进行了综述,并对此类技术在木材改性研究领域的应用前景进行了展望。     

数字图像技术在木材科学中的应用

随着现代计算机技术的快速发展,计算机数字图像处理技术已成为当前追逐的热点,并广泛应用在木材科学领域中。数字图像技术所具备的现性好、精度高、灵活性强等优势,为木材科学的发展提供了新手段。文中基于数字图像处理技术从木材宏观与微观方面对木材缺陷、木材纹理、细胞特征等进行综述,同时分析了木材科学研究中主要用到的数字图像处理技术,并对数字图像处理技术在木材科学中的研究方向及发展趋势进行展望。     

原子力显微镜在木材科学研究中的应用

简要介绍了原子力显微镜的工作原理及其优点, 并就其在木材科学研究中的应用现状进行了综述, 同时也指出其存在的一些不足之处。文章认为, 原子力显微镜在木材科学研究中将发挥越来越重要的作用。     

用无机纳米材料复合改性木材的机理研究进展

介绍了用无机纳米材料改性木材及所获复合材料体系的形成过程、复合机理等方面的研究进展。包括:木材-无机纳米复合材料纳米尺度的形貌、结构观测与表征,采用电镜技术、能谱技术进行其的组成和化学价态的表面分析,采用微区FTIR分析技术测定纳米粒子在该材料体系中的分布及与木材组分的结合状态,用波谱分析的方法,分析纳米粒子在木材组份中的固着机理。     

木材微区结构表征方法及其研究进展

介绍了木材细胞壁微区结构的表征方法,并重点阐述了X射线衍射技术、核磁共振技术、原子力显微镜技术和共聚焦显微拉曼光谱技术等4种表征方法在木材微区结构研究中的应用及研究现状,为今后木材超微结构的探索提供了方法与思路。进一步归纳总结了4种表征技术的优势及局限性,并明确指出了木材微区结构研究在现阶段存在的不足与未来发展方向。     

近红外光谱技术在木材材性分析及木质复合材料生产中的应用

近红外光谱技术具有快速、无损、样品易于准备、适合实际生产在线检测等优点,在木材科学研究领域的应用越来越广泛。文中阐述近红外光谱技术在木材纤维素、木质素和抽提物等化学属性预测,生长特性及物理力学特征等物理属性预测,以及在木质复合材料生产中应用的研究进展,分析了其在木材材性分析及木质复合材料生产中的研究趋势。     

数字图像处理技术在木材科学中的应用

综述了数字图像处理技术在木材缺陷检测、木材结构和木材美学三个方面的研究进展,分析了其中存在的不足。结果表明,数字图像处理技术可实现木材虫眼、节子和腐朽等缺陷的快速准确识别;木材结构的图像分析对于气候变化、木材长势及力学性能研究均有一定的参考价值;利用数字图像处理技术可以提取出木材独一无二的纹理图案。展望了数字图像处理技术在木材科学中的应用前景,以及其在木材缺陷自动检测、物种识别和美学研究等方面的商业价值。     

黑樱桃木材结构研究及物理力学性能测定

在美国所有的硬木中黑樱桃木材属上乘优质木材 ,我国从 1997年开始立项引进。本文着重对黑樱桃木材的宏观构造、微观构造、物理力学性能等方面进行了实验研究。结果表明 ,黑樱桃木材物理力学性能属于中上等 ,加工利用性能良好 ,是做胶合板、高级家具以及室内高档装饰板的优质用材。     

近红外光谱技术在木材无损检测中应用研究综述

近红外光谱技术作为一种先进的检测技术,具有操作简便,预测快速、准确、成本低廉和对样品全面无损等优点,已在农业、石油化工、食品、生物技术与医药等领域得到了广泛的应用,本文主要介绍近红外光谱技术的基本原理和特点,在近红外光谱分析中的常用化学计量学方法及国内外近红外光谱在预测木材化学性质、物理力学性质和木材缺陷等方面的研究成果及应用。     

动态力学分析技术在木材科学研究领域的应用

动态力学分析技术(DMA)通过材料的结构和分子运动状态表征材料的力学性能。木质材料的力学性能本质上是分子运动状态的反映,利用DMA可以架构其结构与性能之间的关系,获得木质材料的结构、分子运动及其转变等重要信息。分别总结了DMA在实体木材和木质复合材料中的应用:围绕实体木材,综合评述了DMA在分析木材材性、软化行为、机械吸湿效应以及早期腐朽程度方面所取得的研究进展;针对木质复合材料,重点介绍了DMA在分析其阻尼性能、胶合性能、界面相容性能和耐老化性能等方面的应用。建议今后的研究重点从以下3个方面展开:1)考虑到实体木材自身组织结构的复杂性以及易受环境影响等特点,采用DMA分析仪不同的载荷类型和形变模式进行组合测试,在一定温湿度场中系统研究实体木材的材性与软化行为和机械吸湿效应的关系。2)利用DMA分析仪的单纤维拉伸模式,探索单根纤维(管胞、木纤维细胞)的黏弹行为,进一步明晰木质材料微观黏弹性能的响应机制。3)联用振动光谱(红外光谱或拉曼光谱),实现同步实时观察木质材料形变过程中组成分子的化学键或官能团的变化及响应,进而从分子水平揭示木质材料的形变规律。     

基于应力波的活立木力学特性无损检测研究进展

活立木力学特性无损检测是科学评价森林质量的基础,为合理制定采伐作业时间、原木分级和木材高效利用提供有效依据.介绍应力波无损检测的基本原理以及基于应力波的活立木力学特性无损检测的研究进展,分析影响应力波在活立木中传播的因素,在此基础上阐述木材力学特性变化的原理以及基于应力波技术的木材力学特性季节动态变化检测的现状和意义,提出应力波检测活立木性质存在的问题,针对其存在的问题提出几点建议.     

纳米纤维素晶须增强生物聚酯P(3,4)HB复合材料

由于纳米纤维素晶须(CNW)表面含有丰富的羟基,亲水性强,制约了其在疏水性聚合物体系中的应用。本研究以硅烷偶联剂KH-550对纳米纤维素晶须进行改性,降低其表面的亲水性,再以改性后的纳米纤维素晶须(STCNW)为增强相、可生物降解聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)[P(3,4)HB]为基体,采用溶液浇铸法制备P(3,4)HB/STCNW纳米复合材料。通过傅里叶变换红外光谱、X-射线衍射仪、接触角测试、扫描电镜、偏光显微镜、拉伸测试和热重分析仪等对其微观结构、表面形貌、结晶行为、力学性能和热稳定性等进行表征与分析。结果表明:改性后的纳米纤维素晶须具有良好的疏水性,可均匀分散在P(3,4)HB基体中形成纳米复合结构,能促进P(3,4)HB结晶的形成,提高基体的拉伸强度和弹性模量等力学性能,但热稳定性稍差。