数字图像处理技术用于木材微观分析的研究概况

随着现代计算机技术的飞速发展,计算机数字图像处理技术已经在很多行业和科研领域中得到了广泛的应用,而木材微观分析是木材科研领域中重要的基础研究,与以往木材微观科研利用光学显微仪器加上人眼进行观察测量的研究手段相比较,利用计算机数字图像处理技术对木材进行微观结构分析具有客观、准确、高效等诸多优点,成为木材微观科研领域中一项崭新的课题和本领域未来科研的发展方向。本文概括国内外计算机数字图像处理技术在木材微观分析中的研究进展、应用现状并对现有处理方法和已经进行的研究的优缺点进行阐述和分析。针对现有图像处理方法和现有的科研程度对计算机数字图像处理技术用于木材微观科研领域的前景和主要发展方向做了展望。     

木材多尺度结构的干缩湿胀研究进展

木材干缩湿胀是影响木材加工利用的关键特性，与木制品尺寸和形状的稳定性密切相关。木材宏观到微观层次分明的多尺度分级结构导致木材干缩湿胀行为的复杂性。将木材干缩湿胀研究从宏观尺度引向介观和微观尺度，建立三者之间的有机联系，有助于阐明木材干缩湿胀行为的发生机制和演变机理，对深入认识木材性质，合理、高效利用木材具有重要理论价值和实践意义。本研究综述木材宏观尺度（无疵试样）、介观尺度（生长轮）和微观尺度（木材细胞）3种层级单元的干缩湿胀行为及其滞后现象，分析木材不同尺度结构的干缩湿胀行为发生和演变规律，介绍基于多尺度结构的木材干缩湿胀测试方法和技术手段。同时，对今后开展木材多尺度结构干缩湿胀行为研究提出建议：1）在介观和微观尺度上系统开展针叶材和阔叶材基于生长轮和木材细胞的干缩湿胀行为研究，建立木材多尺度结构与干缩湿胀行为之间的构效关系；2）揭示基于各向异性、非均质性和细胞类型多样性引发的干缩湿胀行为差异化响应规律及其互作机制；3）阐明木材干缩湿胀行为的时间滞后和湿胀滞后现象；4）引入相关理论模型，如有限元法的应用，构建木材多尺度结构的自由缩胀可视化有限元模型。     

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。     

CT技术在木材科学中的应用

CT技术作为一种先进的无损检测方法已在木材构造检测和物理性能评价领域得到广泛利用, 逐渐成为木材科学领域中一种重要的检测方法。文中介绍了CT技术的基本原理, 综述了普通医学CT和工业CT检测木材宏观构造、密度, 以及利用高分辨率CT研究木材微观结构的研究进展, 并展望了CT技术在木材科学领域的应用前景。     

原子力显微镜在木材科学研究中的进展

原子力显微镜应用技术是通过检测探针-样品之间相互作用力对样品表面的三维形貌和力学性能进行表征的新型显微技术。该文综述了原子力显微镜在木材微观尺度结构研究、纤维素形貌和粗糙度分析以及基于原子力显微镜的纳米压痕技术在木材细胞壁力学性能测定等木材科学相关方面的研究进展。为了进一步拓宽原子力显微镜在木材科学领域中的应用,还可以在基于原子力显微镜的峰值力纳米力学模量成像、多技术联用以及微观力学模型等方面继续开展深入研究。     

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。     

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。     

滇产15种热带材识别与利用初步研究

就国内有关文献尚无记载或叙述不详的方榄，大花五桠果，山蕉等滇产15种热带木材的识别特征，宏观结构，微观结构和利用价值进行了研究。其结果供有关方面开发利用滇产热带木材作参考。     

热解条件对橡木组成结构与纳米压痕测试结果的影响

以阔叶材橡木为对象,研究热解过程中木材组成结构与微观力学性能的转变特征。分别使用傅里叶红外光谱技术(FTIR)、X射线衍射技术(XRD)和纳米压痕技术(NI)分析热解过程中木材化学组成成分、微纤丝结构和细胞壁微观力学性能的转变。研究结果表明,热解温度达到325℃时木材化学组成与微纤丝结构都发生了显著转变,木材化学成分中的纤维素和半纤维素已基本裂解完毕,木质素结构仍有存在,且已有碳素材料特征峰出现;对应XRD图谱分析,由于纤维素的热解,325℃时细胞壁微纤丝构造引起的衍射峰已经消失。NI研究发现热解温度达到300℃时,橡木纤维细胞壁微观力学性能变化显著,弹性模量从未热解处理的(16.6±1.39)GPa下降至(5.78±0.30)GPa。细胞壁硬度与未热解处理木材的(0.46±0.045)GPa相比,当热解温度为250℃和300℃时,硬度值略有上升,分别为(0.54±0.049)和(0.52±0.024)GPa;同时发现300℃热解后木材细胞壁弹性模量和硬度数值的分散度变小,认为是因细胞壁组成与结构变得均一化所造成。     

木材光老化的研究进展

介绍了日光的分布、木材组分对日光的吸收情况以及木材光老化的机理,并从木材的化学成分、颜色以及微观结构变化等方面,分析了光波对木材性质的影响,为木材及木质材料在室外应用的耐老化性能研究提供参考。     

木材乙酰化的研究及进展

简要论述了木材化学改性领域中的木材乙酰化，介绍了木材乙酰化的基本原理及方法，乙酸酐法的工艺及其发展状况和乙酰化实水及人造板在性能上的改进。     

木质材料激光表面处理研究进展

激光以其能量密度高、运行轨迹自如、方向性好等优点,被广泛用于木质材料切削加工以及表面处理等领域。其中,木质材料激光表面处理,即利用激光热/光电子效应促进材料发生物理、化学变化,以实现改性的目的。笔者对木质材料激光表面处理原理、激光类型与用途以及激光表面处理技术特点与应用领域等内容的研究现状进行了综述与分析。现有研究表明:材料对于不同波长激光的吸收系数差异明显,基于此特性可实现木质材料表层激光选择性消融,以满足不同应用场合的加工需求;其次,激光功率、激光扫描路径密度以及进给速度等激光工艺参数,决定了表面处理过程中能量密度及分布,进而影响木质材料表面改性强度与深度,通过对激光参数的优化可实现木质材料表面部分性能(如表面颜色、润湿性、功能性结构等)的精准改性。最后,还探讨了木质材料激光表面处理领域研究现状与趋势,阐明了研究的科学意义和未来研究方向,以期为创新木质材料表面处理技术、实现其提质增效提供理论指导,也为拓宽激光技术在木质材料加工领域的应用范围提供思路。     

速生材增强处理技术研究进展及发展趋势

本文阐述了人工林速生材木材增强处理的机理、方法和国内外研究进展,分析了木材增强处理技术在产业化应用中存在的问题和未来发展趋势。     

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。     

阻燃剂浸渍处理木材方法研究

本研究以ZR-M-301型木材阻燃剂为浸渍药液,樟子松和水曲柳为木材试样,选择常压浸渍、压力浸渍、微波处理后常压浸渍、超声波加压浸渍和微波处理后超声波加压浸渍五种木材阻燃处理方法,经过试验,探索在生产阻燃木材的浸渍方法中引入微波和超声波技术的可行性,找到效果好的木材阻燃处理方法.本研究的创新点是将微波处理与超声波辐射技术应用于木材阻燃处理中,利用微波加热处理改善木材构造的渗透性能,利用超声波的空化作用强化阻燃剂浸入性能,并提出了新的技术路线.     

基于计算机的木材特征提取和分类识别技术研究综述

木材由于内部结构和组成成分的差异，使不同种类木材表现出完全不同的理化性质，并决定其不同的用途和商业价格，因此针对木材的分类识别研究具有重要的应用价值。木材分类识别通常经过木材特征提取和基于特征的分类识别这2个步骤。目前木材特征提取主要利用计算机视觉、光谱分析等技术。木材分类识别是基于木材特征的数字化，这一部分可利用计算机算法实现自动识别，较以往人工识别可大幅提高准确度。文中通过分析近20年来木材特征提取和分类识别的相关文献，介绍各种基于计算机的木材特征提取与分类识别技术的特点及适用范围，并结合计算机技术的发展方向探讨木材特征提取与分类识别技术的发展趋势，以期为构建更准确的木材分类识别技术提供参考。     

木材腐朽机理研究现状及展望

木材在生产应用过程中易受真菌侵害导致木材性能劣化，极大地限制了木制品在户外推广应用。近年来，为了增强木材防腐技术开发的理论基础，木材腐朽机理得到普遍关注与研究。文中从以下3个方面梳理、归纳、总结木材腐朽机理研究现状:1）木材腐朽过程中结构成分与性能的变化规律；2）木材酶降解理论；3）木材非酶降解理论。在此基础上，阐明现有木材腐朽机理研究中存在的问题及今后重点研究方向，以期为绿色环保型木材防腐技术的研发提供理论指导，为2030年我国实现“碳达峰”提供战略技术支撑。     

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。     

声发射技术在木质材料损伤监测中的应用研究进展

木质材料损伤演化特征的监测一直是木材科学的研究热点。声发射技术是一种具有实时性、连续性的监测技术,在木质材料损伤监测研究中得到广泛应用。文中围绕声发射技术在木质材料损伤监测领域研究中的应用情况,总结了声发射技术原理与分析方法,归纳了木质材料特性对声发射信号的影响因素,并分别从木质材料损伤源定位、实木和木基复合材料损伤监测以及发展前景3个方面进行分析与讨论,以期为声发射技术在木质材料领域的进一步应用发展提供参考。     

基于黏结剂喷射的木质材料增材制造技术研究进展

木材是自然界中分布最广泛的材料之一,在制造业和建筑业等领域有着广泛的应用。我国是木材消费和木材加工剩余物产出大国,但目前国内木材加工剩余物利用率较低、利用方式单一,与发达国家相比差距较大。通过创新木材剩余物处理方式,研发相关技术,可逐步缩小与发达国家之间的差距。黏结剂喷射（3DP）技术具有材料来源广泛、加工简单、成型效率高等特点,基于木质材料特点,以木材加工剩余物为原料,实现木质材料增材制造具有广阔的发展前景。文中以增材制造中的木质纤维及其分类为背景,介绍增材制造中木质耗材的研究现状,重点阐述木质材料3DP中典型黏结剂喷射成型（BJ）技术、散装材料选择性沉积技术和单层制造（ILF）技术等3类技术的成型原理、研究进展及其最新应用等,根据木质材料的物理特性和成型机理,探讨黏结剂、粉末床工艺和后处理等因素对木质材料3DP成型精度和成型质量的影响,并对木质材料3DP技术存在的问题进行分析并展望其发展趋势。