针叶树木材细胞力学及纵向弹性模量计算——纵向弹性模量的理论模型

本文是关于针叶树木材弹性特性研究的理论分析。设定针叶树木材细胞主要由管胞和射线组成 ,根据管胞和射线细胞的解剖构造特征 ,建立了两端劈尖、矩形截面、中空的管胞模型与长方体状、中空的射线细胞模型。沿用MP层 (胞间层 初生壁 )内与 3S层 (次生壁的S1、S2、S3层 )内力学性质相同 ,而MP与 3S层间力学性质相异的假定 ,利用管胞和射线细胞模型 ,导出了管胞和射线细胞纵向弹性模量的计算公式。同时 ,根据管胞和射线细胞在针叶树木材中的排列规律 ,结合线形弹性体串并联的特性 ,进一步给出了计算针叶树木材试件宏观纵向弹性模量的方法。本项研究从木材细胞的结构和弹性特性出发 ,分析研究针叶树木材的宏观弹性行为 ,一方面可以获得关于针叶树木材弹性特性的认识 ,另一方面可以用于针叶树木材纵向弹性模量的计算和预测。     

纳米压痕技术测量管胞次生壁S2层的纵向弹性模量和硬度

重点研究和详细介绍了利用纳米压痕技术测试管胞次生壁S2 层纵向弹性模量以及硬度的实验技术 ,并测试了人工林杉木早晚材管胞S2 层的纵向弹性模量和硬度。结果表明 :杉木晚材管胞S2 层的平均纵向硬度为0 390GPa ,弹性模量的平均值为 1 4 84 4GPa ;早材管胞S2 层的硬度和模量则小于晚材 ,平均值分别为 0 30 6GPa和9 82 3GPa。     

人工林马尾松木材性质的变异

本文研究了广西人工林马尾松木材性质的变异及幼龄材与成熟材的差异。结果表明 ,幼龄材与成熟材的分界年龄在 14　 16a ,解剖性质在径向上的变异规律为 :射线比量、树脂道比量、胞壁率、胞腔直径、胞壁厚、管胞长度、管胞宽度和晚材壁腔比是自髓心向外呈递增趋势 ,管胞比量和晚材率为递减趋势 ,早材壁腔比和早材腔径比则近似于一条直线。方差分析结果表明 :树脂道比量、胞壁率、胞壁厚、管胞长度和管胞宽度 ,幼龄材与成熟材差异达显著或极显著水平。 5项木材物理力学性质均为成熟材高于幼龄材 ,且均达差异显著水平。木材性质间的相关分析表明 :木材基本密度与管胞长度、管胞宽度、射线比量、树脂道比量、胞壁率呈显著的正相关关系 ,木材气干密度与抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度也呈显著的正相关关系     

针叶树材纵向气体渗透的三维流阻网络

气体在木材中的渗透是通过木材内的孔隙通道进行 ,而木材内的孔隙结构非常复杂 ,在纵向、径向、弦向的连接特性均不相同。以往关于针叶树材气体渗透的模型或理论 ,只考虑针叶树材内气体渗透通道在 1个或 2个方向上的连接。本文根据针叶树材管胞流阻和管胞在纵向、径向、弦向的连接特性 ,建立了一个描述针叶树材纵向气体渗透性的三维流阻网络 ,并运用重正化变换求解出流阻网络的流阻 ,计算了针叶树材气体纵向渗透系数。所得马尾松木材气体纵向渗透系数计算值与其测量结果进行比较 ,两者十分吻合 ,表明本文关于针叶树材气体纵向渗透三维流阻网络理论的科学性     

三种针叶树材单根管胞形态与拉伸性能

选取杉木、白皮松、日本落叶松三种针叶树材为研究对象,探究并比较位于不同生长轮的单根管胞的形态参数及拉伸力学性能.结果表明,三种针叶树材的管胞长度、宽度、长宽比及拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率基本符合随生长轮增加而增大的变化规律;杉木管胞的长度、宽度最大,日本落叶松晚材第9生长轮的管胞具有最佳的拉伸性能.方差分析表明,杉木和白皮松的第3生长轮与其他生长轮的管胞形态具有显著性差异(P<0.05).杉木、日本落叶松的第3生长轮与其他生长轮的管胞拉伸力学性能具有显著性差异(P<0.05),而白皮松各生长轮间的拉伸力学性能没有显著性差异.研究结果为人工林木质纤维的高效利用及建筑用材提供依据.     

杉木无性系管胞形态及其拉伸性能的研究

为了给人工林杉木选育和合理利用提供依据,以3个杉木(Cunninghamia lanceolata)无性系为研究对象,测试分析管胞长度、宽度和长宽比以及单根管胞拉伸强度、拉伸弹性模量的变异规律。结果表明,管胞长度、长宽比、拉伸强度、拉伸弹性模量,在株内径向由髓心向外逐渐增大,在株内纵向1.3～5.5 m段自下向上逐渐增大。管胞的拉伸强度、拉伸弹性模量,与管胞长度、长宽比均呈极显著正相关(P0.01)。杉木无性系管胞形态和单根管胞拉伸性能在幼龄与成熟时期材性呈现显著差异。     

杉木无性系新品种‘洋020’和‘洋061’10年生幼龄材微观结构与力学性能的相关性

【目的】阐明杉木无性系间幼龄材的力学性能差异,筛选力学性能优良的无性系,探究影响杉木幼龄材力学性能的微观结构特征,为杉木优良无性系选育、杉木木材加工利用和加工工艺研发提供科学依据。【方法】以福建洋口国有林场杉木无性系品种比对示范试验林中2个经国家认定的杉木无性系新品种‘洋020’和‘洋061’10年生幼龄材为试验材料,各采伐8株标准株作为样木。按照国标加工、制备主要力学性能试件,测定木材抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和硬度,应用光学显微图像分析系统、X射线衍射、傅里叶变换红外显微成像等技术观测样品显微构造并测量微纤丝角、结晶度和木质素含量。采用单因素方差分析进行数据处理,系统分析2个杉木无性系幼龄材微观结构与力学性能的相关性。【结果】杉木无性系‘洋020’早材管胞形态与‘洋061’较为接近,但年轮晚材区比‘洋061’宽,管胞壁较厚,管胞腔较小,壁腔比较‘洋061’约大25%。‘洋020’的平均微纤丝角为12.06°,较‘洋061’(14.97°)约小18%;平均结晶度为39.73%,较‘洋061’(35.88%)高11%左右;木质素含量特征峰高比的平均值较‘洋061’高8%左右;平均抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和硬度分别为51.36 MPa、10.18 GPa、30.27 MPa和1 497 N,较‘洋061’的平均抗弯强度(42.56 MPa)、抗弯弹性模量(8.98 GPa)、顺纹抗压强度(27.20 MPa)和硬度(1 391 N)分别高21%、13%、11%和8%。【结论】除结晶度外,杉木无性系‘洋020’与‘洋061’幼龄材在解剖构造参数、微纤丝角和木质素等微观结构因子方面均存在显著性差异,‘洋020’幼龄材的抗弯、抗压和硬度等力学性能均高于‘洋061’。杉木无性系幼龄材管胞壁厚度、壁腔比等解剖构造参数以及木质素含量与力学性能呈正相关,细胞壁纤维素微纤丝角与力学性能呈负相关,这些微观结构因子的协同作用影响其力学性能。评价杉木无性系幼龄材木材力学品质性状,解剖构造参数和微纤丝角是最主要的判断依据。     

人工林班克松木材材质径向变异规律研究

以人工林班克松的木材解剖性质为研究对象,分析研究其株内木材材质径向变异模式,对其幼龄材和成熟材进行初步界定。结果表明：早材管胞径弦向直径和晚材胞壁率的变化符合PashinⅠ模型,早材胞壁率的变化符合PanshinⅢ模型;回归分析中早材拟合度较晚材好;幼龄材和成熟材的初步界定年限为9-11a。     

中国主要人工林树种幼龄材与成熟材及人工林与天然林木材性质比较研究

本文对中国１０种人工林和４种天然林的幼龄材与成熟材及４个树种的人工林木材与天然林木材的构造特征、化学性质、物理性质、力学性质的３３项材性指标差异进行了比较研究。结果表明,在幼龄材与成熟材之间,在统计上表现出差异显著性的为幼龄材比成熟材生长轮宽,管胞列数多,管胞短,直径小,微纤丝角大,密度小,径向干缩小,差异干缩大,流体扩散性高,抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、径面顺纹抗剪强度、径面抗劈力和冲击韧性低等１５项,即４６％的测试项目差异显著;表明在木材加工和用作结构材时应将幼龄材和成熟材视作两个性质不同的总体来考虑,在培育结构材时应研究如何缩短幼年期或改善幼年期材性。在人工林与天然林木材之间,采取人工林幼龄材性质与天然林幼龄材性质相比,人工林成熟材性质与天然林成熟材性质相比,结果表明,多数性质在统计上差异不显著,只有人工林木材比天然林木材胞壁率小、顺纹抗压强度低、差异干缩大、流体扩散性高等４项,即只有１２％的很少数测试项目差异显著;表明有可能通过人工培育的方法培育出与天然林木材性质相近的木材。     

贵州马尾松人工林木材物理力学性质研究

本文对贵州林科院试验林场生长的人工林马尾松木材物理力学性质进行了测定，并与贵州产45年树龄的天然林木材的主要强度指标作了比较。结果表明：人工林马尾松木材基本密度、全干缩率、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量在幼龄材与成熟材之间存在显著差异。而人工林与天然林之间的木材密度和主要强度指标差异不大。     

马尾松人工林管胞长度的株间和株内变异

林木株间变异和株内变异是木材的两个主要变异来源,由于木材性状具有较强的遗传性以及育林措施对木材的可塑性,人们可以培育出材质优异的木材,然而因变异的存在,在如何充分利用木材时却遇到了许多困难。林学家的一个主要目的就是在充分掌握木材变异规律的基础上,采用有效方法提高材质的均匀性。     

Longitudinal hardness and Young's modulus of spruce tracheid secondary walls using nanoindentation technique

Summary Using a mechanical properties microprobe, measurements of hardness and elastic modulus of tracheid walls in the longitudinal direction of spruce wood were obtained by continuously measuring force and displacement as a diamond indenter impressed a cell wall. Maximum mechanical properties were found at the edges of the walls of angular shaped tracheids. Both the hardness and elastic modulus of latewood cell walls were higher than cell walls in the earlywood. The high spatial resolution of this new concept of mechanical testing allows a direct comparison with ultrastructural and microchemical parameters of lignified cells which opens a wider area of applications for the understanding of intrinsic wood properties.This work was conducted while the senior author was a Visiting Scientist at the Oak Ridge National Lab, Oak Ridge, TN 37831, USA partly with joint fundings from the Austrian Science Foundation (Schrödinger scholarship J799-BIO)     

不同造林密度马尾松生长轮特性及其径向变异

研究了５种造林密度,１５年生马尾松生长轮特性,包括生长轮宽度,晚材率和管胞列数及其径向变异规律。结果表明：造林密度对马尾松生长轮宽度,晚材率和管胞列数的影响较大,经方差分析达到统计学的显著水平,造林密度与生长轮宽度和管胞列数成反相关关系,与晚材率成正相关关系。同时,年龄对生长轮宽度、晚材率和管胞列数的影响亦显著,且符合一般规律。但不同造林;密度生长轮特性差异显著程度不同,较低和较高的造林密度各生长     

Determination of Young’s and shear moduli of common yew and Norway spruce by means of ultrasonic waves

Despite the exceptional position of yew among the gymnosperms concerning its elastomechanical properties, no reference values for its elastic constants apart from the longitudinal Young’s modulus have been available from literature so far. Hence, this study’s objective was to determine the Young’s moduli E _L, E _R and E _T and the shear moduli G _LR, G _LT and G _RT of yew wood. For that purpose, we measured the ultrasound velocities of longitudinal and transversal waves applied to small cubic specimens and derived the elastic constants from the results. The tests were carried out at varying wood moisture contents and were applied to spruce specimens as well in order to put the results into perspective. Results indicate that E _L is in the same order of magnitude for both species, which means that a high-density wood species like yew does not inevitably have to have a high longitudinal Young’s modulus. For the transverse Young’s moduli of yew, however, we obtained 1.5–2 times, for the shear moduli even 3–6 times higher values compared to spruce. The variation of moisture content primarily revealed differences between both species concerning the shear modulus of the RT plane. We concluded that anatomical features such as the microfibril angle, the high ray percentage and presumably the large amount of extractives must fulfil important functions for the extraordinary elastomechanical behaviour of yew wood which still has to be investigated in subsequent micromechanical studies.     

人工兴安落叶松次生木质部的解剖学研究

运用木材解剖图像分析系统和显微照相的方法对人工兴安落叶松次生木质部的解剖结构进行研究,结果表明:落叶松具正常树脂道和受伤树脂道两种类型,前者常见于晚材。落叶松生长轮内的早晚材在干和枝内急变,在根内缓变。早材管胞呈六边形至多边形,胞壁常见单列具缘纹孔,偶见对列具缘纹孔;晚材管胞多呈矩形,胞壁鲜见具缘纹孔,通常为单列具缘纹孔。落叶松木射线同时具有单列木射线和纺锤形木射线两种类型,纺锤形木射线中仅含一枚纵行树脂道。纵行管胞与木射线交叉形成的纹孔场为云杉型。从根到干再到枝,管胞逐渐细化,管胞长度逐渐减小,木射线分布由密到疏。     

Variation Within Trees of Wood Anatomical Properties in Chinese-Fir Plantation and Their Relationship Modeling Equations

A comprehensive analysis on the variation pattern of early- and latewood tracheid morphological parameters along tree (Cunninghamia lanceolata Hook.) height, including length and width, wall thickness, tissue proportion, cell wall percentage, width of growth rings, and on the relationship among them are conducted. The results indicate an initially rapid and then gentle increase of tracheid length and width, thickness of the radial wall and tangential wall of tracheid, area percentage of tracheid from pith to outward, while S2 microfibril angle (Mfa) of tracheid, and rays percentage gradually decrease and then tend to be stable. The variation of all anatomical parameters but earlywood cell wall thickness shows no significance along tree height. The radial variation pattern of width of growth rings is characterized with initially slight decrease followed immediately by a rapid and then much more gentle increase from pith to outward. The delimitation age between juvenile and mature wood is 14-16 years. Com     

火炬松不同种源纸浆材材性的变异

1983年火炬松31个种源引种栽培在浙江富阳中国林业科学研究院亚热带林业研究所实验林场,研究表明该批种源间10年生树木生长量和纸浆材材性因子如晚材率、管胞形态特征值(管胞长度、宽度、腔径、壁厚、长宽比、腔径比、壁腔比)、管胞S2层微纤丝角和木材基本密度存在着显著差异,木材主要化学成分中纤维素和木素含量种源间存在着显著差异,而戊聚糖和苯醇浸提物含量种源间差异不显著.这些材性特征除了木材化学性状因子外,均受中等以上程度遗传控制.木材纤维素、木素、戊聚糖和苯醇浸提物含量的广义遗传力分别为0.088、0.003、0.340和0.307,其余性状广义遗传力均大于0.50.引种地栽培环境对木材性状有显著影响.种源原产地纬度与树木生长量、管胞宽度、管胞直径和管胞微纤丝角呈负相关,与晚材率、木材密度呈正相关.31个种源树木胸高直径与管胞长宽比、管胞壁腔比、木材密度呈显著负相关,与管胞宽度、管胞直径、管胞腔径比呈正相关.     

不同湿地松种源木材材性遗传变异的研究

本文对浙江省长乐林场的湿地松 (Pinuselliottii) 18个种源的木材性质进行测定与分析。结果表明 ,种源间木材气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度差异极显著 ;管胞长度与宽度、冲击韧性差异显著 ,而管胞壁厚及胞壁率差异不显著 ;种源内木材气干密度、力学强度及胞壁率差异不显著 ,管胞长、宽和壁厚的差异均显著且高于种源间的差异。实验结果表明在种源水平上 ,进行木材气干密度、力学强度和管胞形态的种源选择 ,可取得良好的效果 ;种源内个体管胞形态 (管胞长、宽和壁厚 )变异大于种源间的差异 ,表明湿地松种源材质改良如在种源选择基础上进行个体改良会取得更好的增益。 18个种源木材管胞长度及宽度、管胞壁厚、胞壁率的广义遗传力分别为 :0 36 15、0 5 993、0 74 73、0 16 98;木材气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度与冲击韧性的广义遗传力分别为 :0 4 14 2、0 2 6 4 6、0 10 82、0 2 977和 0 12 4 6 ;种源树高及胸径的广义遗传力为 :0 4 0 5 7和 0 4 74 7;说明湿地松种源木材管胞性状、木材气干密度及树木生长性状 (胞壁率除外 )受中度或弱度遗传控制 ,通过一定强度的选择 ,能获得较高的遗传增益。本研究还从树木生长性状与管胞形态、力学强度方面对 18个种源进