枝节木材结构与性能研究进展

枝节是指枝条、在树干肥大生长过程中枝条基部被卷入树干木质部的节以及树干上枝条去掉后形成的节疤,是树木结构与功能的重要组成部分;但由于枝节木材对产品性能产生的不利影响,其研究与利用受到限制。随着仿生学的发展,枝节木材以其复杂而有序的组织构造、连接方式及高强韧、耐腐朽等特性,作为一种特殊结构材料逐渐引起国内外学者的关注。众多研究表明,枝节木材天然形成的组织构造和连接方式具有许多人工材料无法企及的优势,加强枝节木材结构与性能研究,既有望打破其以往利用受限的境地而开拓全新的应用领域,又可为研发高性能的新型仿生材料提供有益启发和科学依据。本研究从枝节木材的构造、化学抽提物、物理性质和力学性质4方面概述枝节木材结构与性能的研究现状。首先分别阐述枝节木材在宏观观测水平下的构造特征以及枝节木材构造随外界环境变化做出自适应性调整的智能性表现;其次围绕节疤中化学抽提物对树木的保护功效,重点从节疤化学抽提物对树木防腐和树木自然整枝2方面的影响效果进行归纳;然后总结枝节木材与树木干材在密度、干缩性等物理性质及变化规律方面的比较研究;最后阐述枝节木材的力学性质与材料基质、构造排布和功能特性间的相关关系及其应力均布特性的相关研究。同时,本研究还阐述与枝节木材相关的工程材料及结构的仿生实例,以及枝节木材相关研究对仿生设计的一些启示。鉴于枝节部位木材的特殊性及其研究的复杂性,目前人们对枝节木材结构与性能的认识相对薄弱,关于枝节木材细胞水平的精细构造、主要化学成分及各项物理和力学性质等方面的研究报道相对较少且未深入全面。基于此,本研究在前人对枝节木材结构与性能研究现状的基础上提出几点建议:加强对枝节木材宏观和微观各层次构造特性及其在不同生长状态下的调节变化机制研究;探究纤维素、半纤维素、木质素及抽提物等化学成分在枝节木材中的含量和微区分布并探明化学成分配置情况与枝节木材韧性、连接强度等性质的相关关系;开展枝节部位木材密度、水分等物理量的变化规律及其内因的研究;阐明枝节木材精细结构参数对其物理力学性质的影响机制,构建枝节木材精细构造、化学组成等结构参数与物理力学性质的数学模型。