鹿角各向异性力学性质及断面的分形分析

指出了鹿角是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白构成的生物复合材料。为研究鹿角微观结构与其力学性质的联系,选取了梅花鹿鹿角作为实验材料,分别取了鹿角密质骨部分沿三个不同方向的试样,通过材料测试机对试样的弯曲力学性能进行了测试,并对微观结构特征进行了扫描电子显微镜(SEM)观察。结果表明:鹿角密质骨的力学性能和试样的方向密切相关,即横向试样具有较大的断裂强度,弹性模量和断裂功,而纵向和径向试样的断裂强度、弹性模量和断裂功小于横向试样。这是由鹿角的微观结构特点影响的。根据分形原理,利用盒子法得到了不同方向试样的断面分形维数,结果显示,在横向断裂试样表面的分形维数和断裂能明显大于纵向和径向试样的值。这和力学实验结果一致。     

磨牙中微管方向对结构损伤的影响

指出了人的牙齿在咀嚼中承受着变化多样的载荷,牙齿多孔的微观结构对结构损伤有着一定的影响。根据扫描电镜观察牙齿的微观结构,建立了3种二维的微观模型:椭圆微管长轴平行于圆周切向的周向椭圆孔洞模型、椭圆微管长轴平行于圆周径向的径向椭圆孔洞模型,以及微管为圆形的圆形孔洞模型。通过渐进损失讨论了微管排列方向对抵抗裂纹损伤的影响。结果表明:周向椭圆孔洞模型能有效增强牙齿抵抗微裂纹扩展的能力。这些结果对于天然复合材料的研究以及工程材料的应用有一定的指导作用。     

微米木纤维医用颈椎夹板的力学性能及有限元分析（英文）

【目的】研究微米木纤维医用颈椎夹板的力学性能,模拟颈椎夹板受到外力时的力学数值,分析其是否可以满足人体使用强度要求。【内容】选择直径为16μm的红松木纤维制备试验试样,对木纤维板进行三点弯曲力学性能测试,并运用扫描电镜(SEM)对其微观结构进行表征。利用ABAQUS程序对微米木纤维颈锥夹板进行压缩和冲击性能的模拟,并对其模拟结果进行分析。【结果】微米木纤维颈锥夹板沿上颈长度对应曲面由内向外压缩,后片的承载能力略高于前片;沿侧曲面由外向内压缩的抗压能力高于沿上颈长度对应曲面由内向外压缩的抗压能力。通过选用不同的冲击能量研究微米木纤维颈锥夹板在低速冲击作用下的损伤程度,冲击损伤随着冲击能量的增大而增大。【结论】颈锥夹板的有限元力学性能数值模拟与实际三点弯曲力学试验数值接近,说明试验的合理性。夹板最大可承受30 MPa的应力,可满足人体使用强度要求。     

黑荆树花药及花粉的微观形态

用扫描电镜对黑荆树花药及花粉微观形态进行观察,其形态结构与以往报道的花药形态结构有差异。绒毡层以外是由结构块交错排列而成;花药纵裂的两侧及两花药片之间的结构块比较规则。每一个花药产生8个花粉复合体,每个复合体由16个花粉粒组成,复合体花粉的纹饰与绒毡层的形态结构吻合。     

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。     

竹材的微观结构及其与力学性能的关系

采用宏观与微观相结合的方法,研究了不同种类不同部位的沿壁厚分层竹材的力学性能与生物组织微结构的关系。在扫描电镜内进行试验动态测试,并分析其形态。竹材主要由承力的纤维厚壁细胞和起速接作用并传递载荷的薄壁细胞基体所组成。竹材具有良好的比强度,比刚度,是其厚壁细胞竹纤维排列整齐的结果。在宏观力学性能方面;毛竹高于蒿竹,靠上部大于基部,竹壁外层优于内层,这都是与纤维组织细密、纤维层厚、纤维密度大等因素有关。对竹材生物组织微观结构合理分布和独突优越性的了解,不仅对竹材细胞组织的真实形态有进一步的科学认识,而且对研制竹/塑及其它复合材料增强的有效性和纤维铺层设计都有实际意义,并有助于对不同部位竹材的充分利用。     

木材多尺度结构差异对其破坏影响的研究进展

木材多尺度结构主要包括纳米级高分子结构、微米级细胞壁多层结构和毫米级生长轮结构。纳米级高分子结构中三大素(纤维素、半纤维素和木质素)性质各异,微米级细胞壁多层结构中细胞壁各层三大素含量和微纤丝角不同,毫米级生长轮结构中细胞类型、大小和排列方向存在差异,这些结构差异均会导致多尺度结构单元之间的力学性质各异。木材破坏过程主要包括初始裂纹萌生和裂纹扩展,裂纹萌生和扩展主要由木材不同尺度单元间结构和力学性质的差异以及木材内部缺陷的不规则演化决定。本研究综述木材不同尺度单元间的结构和力学性质差异,并分析结构差异对木材破坏的影响。同时,提出今后有关木材多尺度结构差异对其破坏影响研究的几点建议:1)深入解译木材微纳结构的性质差异,研究木材三大素的排列取向规律以及木材不同化学组分对外部载荷的响应差异,揭示壁层内三大素的变形机制;研究细胞壁各层化学组分分布以及微纤丝取向不同导致的力学性能差异,分析外载荷作用下各壁层之间存在的应力传递规律; 2)研究不同载荷作用下木材生长轮结构和细胞壁结构的裂纹萌生和扩展规律,精准定位木材破坏过程中不同尺度结构的裂纹萌生位置,区分裂纹在不同木材组织内部扩展时破坏断面的细胞破坏模式; 3)借助有限元分析等理论方法,研究木材不同尺度单元间结构差异对木材生长轮结构和细胞壁结构上应力分布规律和应力集中位置的影响,揭示木材多尺度结构差异对木材破坏的影响机制。     

木材细胞纤维分布与定量数学描述理论研究

采用微观力学和细胞数学理论，提出木材细胞纤维素内部的分布和尺寸的具体参数计算方法，证明在木纤维加工的过程中，刨片加工的尺寸最小，体现出纳微米技术在木材工业上的应用前景。应用本文的理论可以通过木材细胞纤维素和胞管组成结构变化，解释木材材性优劣的原因，确定纳微米木纤维和木粉的最佳加工工艺方法。从定量的观点解释木材细胞组成后物理和力学参数变化的本质原因，根据纤维、木质素、细胞直径和排列的程度，提出了一种木材细胞主方向截面纤维形状分布和定量描述的理论方法。     

微波和辐照处理对加拿大一枝黄花杆表面性能的影响

选取加拿大一枝黄花杆为研究对象,利用红外光谱法和扫描电镜技术,研究微波和辐照处理对材料表面性能的影响。结果表明:(1)由红外光谱分析可知:经过微波和辐照处理后,与未处理材比较,一枝黄花杆的化学成分变化都不明显;(2)用扫描电镜观察纤维细胞结构可以看到,经过处理后材料的表面结构都受到了损伤,较之微波处理,辐照处理效果更明显一些;(3)材料表面聚积着一定量的二氧化硅(1070～800cm~(-1)),一枝黄花杆表面的羟基(3416cm~(-1))物质较少。     

NaOH活化木纤维表面形态及结构的分析

为了研究NaOH活化条件对木纤维表面形态及结构的影响,采用扫描电镜、红外光谱和X-射线衍射观察和分析不同NaOH用量、活化时间和活化温度处理后木纤维表面形态、羟基数量及纤维素结晶度的变化。结果表明:经NaOH活化的纤维表面不再光滑,出现分层、凹陷和空洞;活化条件对纤维表面羟基数量和纤维素结晶度的影响趋势不一致;当NaOH用量6%、180℃活化30min时,经红外测得羟基的吸收峰最强;当NaOH用量6%、180℃活化15min时,纤维素结晶度由40.80%增至43.23%,增幅最大。     

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。     

竹材梯度结构对弯曲力学性能的影响

竹材梯度结构对力学性能影响显著,尤其是在弯曲应力下,更呈现明显的非对称行为。文章对竹材梯度结构进行详细解析,提取了维管束形状、纤维鞘面积、维管束梯度变化规律等多个梯度因子,然后对其弯曲力学性能进行测试,解析竹材梯度结构因子与弯曲力学性能之间的关系,阐明梯度结构对弯曲力学的影响机制。结果发现,毛竹维管束沿径向梯度分布的曲线属于下凹型曲线,梯度分布指数n=2.28;从竹青到竹黄,维管束长径比呈现明显下降的趋势,靠近竹青侧的维管束长径比较大,靠近竹黄侧的维管束长径比较小,形状更趋近于圆形;对比了竹黄侧加载和竹青侧加载2种模式下的竹材弯曲力学性能,当竹青侧受压、竹黄侧受拉的情况下,竹材的弯曲韧性最好;当竹青侧受拉、竹黄侧受压的情况下,竹材的弯曲模量最大。     

先驱体转化法制备ZrC木质陶瓷及其性能分析

以松木为原料,经炭化制得松木炭,以有机锆聚合物(PZC)为先驱体浸渍松木炭后进一步高温热处理制备得到ZrC木质陶瓷。采用XRD、SEM、FT-IR、TG-DSC分别对样品的物相变化、组成和微观结构进行了表征,研究了热处理温度和杂化材料质量增加率对木质陶瓷显气孔率与力学性能的影响。结果表明:有机锆先驱体裂解过程中生成ZrO_2,进一步可以在1 400℃通过碳热还原反应转化为ZrC相。ZrC木质陶瓷由立方相ZrC和无定形碳组成,生成的木质陶瓷较好地保留了松木模板的管状孔洞结构,部分ZrC相沉积在孔洞内部。木质陶瓷材料显气孔率随着热处理温度的升高而升高,随质量增加率的增加而降低;力学性能随热处理温度和质量增加率的增加而提高,质量增加率为278%的杂化材料在热处理温度为1 400℃时制备的ZrC木质陶瓷具有良好的力学性能,弯曲强度和断裂韧性分别为158 MPa和1.8 MPa·m~(1/2)。     

欧盟细木工行业的胶合层积材越来越重要

欧洲工程木材产品使用增加的强烈趋势特别适用于胶合层积材(Glue Laminated Timber,Glulam)。胶合层积材由若干层小尺寸木材胶合在一起形成一个单一的组件,广泛用于结构和细木工业。胶合层积材提供了大量的技术和环境优势,具有较高的强度重量比,耐用和坚固,具有良好的防火性,性能稳定并可预见。其可用于结构,营造出没有内部支撑的巨大的空间结构。胶合层积材还可以有效利用小尺寸材料,生产尺寸范围广泛的稳定、高强度且轻便的产品。     

合欢种皮结构及其与吸水的关系

【目的】研究合欢种皮结构及其对种子吸水的影响,探索种子的吸水机制,为硬实性种子休眠的解除提供理论依据。【方法】以籽粒饱满、无病虫害的合欢种子为试材,利用体视显微镜和扫描电镜观察种皮结构,并结合染色法和凡士林密封试验,探究合欢种皮结构对吸水的影响。【结果】合欢种子的种皮具有不透水性,采用始温60、70、80℃的热水浸种处理均能有效解除其硬实性,但种子生活力随热水温度的升高而降低。合欢种子呈不规则的扁椭圆形,种皮坚硬,黄褐色,背腹面各有一条向外突出且长轴与种子侧缘平行的椭圆形棱。扫描电镜结果表明,椭圆形棱是种皮表面的一道较宽的裂痕。合欢种子种皮由外到内依次为:表皮层、栅栏层、骨状石细胞层、厚壁细胞层、薄壁细胞层。种子表面有许多大小、形状及深度不同的裂缝。种孔和种脊紧闭,种脐被致密的蜡质所覆盖,维管束由种脐开始平行于种皮表面向其深处延伸。热水处理后,种孔开启,种脊处细胞开裂,种脐处的蜡质减少。凡士林密封实验发现,解除硬实性后,种子各部位均可吸水,但子叶末端区域的吸水量始终最低。吸水4h时,种脐部位的吸水量最大,显著高于其他处理;随后中间部位吸水加快,吸水至24h,种脐部位和中间部位的吸水率差异不显著,均高于子叶末端部位,该差异趋势一直保持至种子吸水饱和。苯胺蓝染色发现,种皮有3种吸水途径:水分最先由种脊进入种皮并沿其内的维管束移动;随后种孔和种脐处也有水分进入;水分还可以透过表皮层,但没有继续向内穿过栅栏层进入种子内部。TTC染色发现,种子的胚根端最先吸水并被染成红色,随后水分由胚根端向种子另一端即子叶末端迁移,在同一水平位置水分由子叶侧缘向中间渗透。【结论】解除合欢种子硬实性的最佳方法是始温70℃的热水处理5min。种脊是合欢种子的初始吸水部位,随后水分也由种孔和种脐进入种胚,并由胚根端向子叶末端迁移。种皮的栅栏层、明线、厚壁细胞层、覆盖于种脐表面的蜡质层和填充于种皮维管束中的蜡质可能均与合欢种子的硬实性有关。     

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。     

排土场散体岩石物料力学特性研究现状

指出了散体岩石物料广泛存在于自然界,该类材料颗粒粒径离散性大、颗粒形状与空间分布结构呈现明显的非均匀性,导致其力学特性较为复杂。对散体物料的粒度分布规律、颗粒破碎、击实特性、渗透特性、压缩变形特性和抗剪强度特性6个方面的研究成果进行了总结并论述了相关研究方法。提出了关于散体物料力学特性的研究目前已由以往考虑单一因素发展到针对多因素影响的复杂力学行为研究,以及宏-细观力学特性演化规律,特别是颗粒细观组构性质对宏观力学特性的影响研究,使对散体物料的力学特性有了更深入的认识,同时应加强把已取得的研究成果与工程实践紧密结合,使理论研究和试验研究不断完善,以推动我国在该领域研究工作的进一步发展。     

栓皮栎软木化学除杂技术研究

该研究以产自我国陕西秦巴山区的栓皮栎软木初生皮为原材料,对栓皮栎软木化学除杂技术进行了探索。试验发现,将软木块浸泡于5.82mol/L盐酸溶液与6.12mol/L硫酸溶液体积比4:3的混合溶液中,并在恒温水浴60℃条件下浸泡20h的处理条件下软木除杂效果较优;通过扫描电镜对处理前后软木微观构造的对比观察,发现杂质细胞由之前的排列整齐变为杂乱,细胞间隙增大,且质地变疏松,易被剥离,而软木细胞未发生明显变化,表明此除杂工艺能够对软木产生明显的除杂效果。     

乙酰化木粉基复合材料的疏水与流变性能研究

通过双螺杆挤出、注塑方法制备了木粉(WF)、乙酰化木粉(AWF)与低密度聚乙烯(LDPE)、聚乳酸(PLA)的共混材料。采用吸水率测定、接触角测量、旋转流变仪、拉伸测试和扫描电镜(SEM)分别表征了共混材料的疏水、流变性能、力学性能和微观形貌结构。结果表明:由AWF制备的共混材料相比同质量比例的由WF制备的共混材料具有更好的疏水性能,吸水率发生了大幅度降低。随着材料中AWF含量的减少,共混材料的吸水率逐渐降低,接触角逐渐增大。流变测试表明AWF/LDPE共混材料在黏度和储能模量方面都低于WF/LDPE共混材料,AWF/LDPE共混材料的黏度和储能模量也随着AWF含量的减小而减小。力学性能测试显示由AWF制备得到的复合材料相比于由WF制备的复合材料的拉伸强度有所下降,断裂伸长率却有较大幅度的提升。SEM分析表明AWF与塑料基体的相容性得到了改善,两相之间共混分散结合更加紧密。     

栓皮栎软木化学除杂技术研究北大核心

该研究以产自我国陕西秦巴山区的栓皮栎软木初生皮为原材料,对栓皮栎软木化学除杂技术进行了探索。试验发现,将软木块浸泡于5.82mol/L盐酸溶液与6.12mol/L硫酸溶液体积比4:3的混合溶液中,并在恒温水浴60℃条件下浸泡20h的处理条件下软木除杂效果较优;通过扫描电镜对处理前后软木微观构造的对比观察,发现杂质细胞由之前的排列整齐变为杂乱,细胞间隙增大,且质地变疏松,易被剥离,而软木细胞未发生明显变化,表明此除杂工艺能够对软木产生明显的除杂效果。