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。     

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。     

2种农作物秸秆纤维细胞壁的纳米力学性能

利用纳米压痕仪对2种农作物秸秆纤维细胞壁的纳米力学性能进行研究.结果表明:麦秸纤维细胞壁纵向弹性模量高于稻秸纤维细胞壁纵向弹性模量,其数值分别为20.8和19.4 GPa;2种秸秆纤维细胞壁硬度数值分别为0.65和0.50 GPa.在纳米尺度下,秸秆纤维细胞壁纵向弹性模量低于多数阔叶树材,但高于针叶树材和再生纤维素纤维,其细胞壁硬度的平均值高于木材及再生纤维素纤维.     

基于纳米压痕的木材细胞壁力学测量值与加载载荷相关性研究

通过改变纳米压痕过程中加载函数的具体参数值,研究了加载载荷与木材细胞壁弹性模量、硬度和蠕变性能的关系,并探求在木材细胞壁线性黏弹性范围内合适的加载载荷.研究结果表明:在测试过程中,当加载载荷逐渐增大时,马尾松木材细胞壁弹性模量变化明显;载荷为200μN时,弹性模量达到最大值,随后保持相对稳定;载荷达到400μN时弹性模...     

纳米压痕技术在木材科学中的应用

纳米压痕技术是在亚微米尺度下决定一种材料机械属性的测试方法。文中对纳米压痕技术的测试原理及其在木材科学中的应用现状进行了较为详细的论述。     

基于纳米压痕技术的木材胶合界面力学行为

【目的】研究木材胶合界面的静态和动态力学行为,探讨树脂渗透对木材管胞壁层力学性能的影响,为木质复合材料制造工艺优化和增强改性提供理论依据。【方法】采用纳米压痕静态和动态力学测试技术(Nano-DMA),对针叶材火炬松与酚醛树脂(PF)、脲醛树脂(UF)胶黏剂所形成胶合界面区域各相材料的静态弹性模量、硬度、蠕变性能以及储能模量和损耗模量等力学行为进行分析。【结果】静态力学行为方面,在界面区域,PF和UF渗透进入管胞壁层后,木材管胞壁的弹性模量( E r)和硬度( H )提高;经PF渗透后,木材管胞壁的 E r和 H 分别增加7%和26%;Burgers蠕变力学模型可有效描述胶合界面区域管胞壁的纳米压痕蠕变特性,经树脂渗透后,木材管胞壁的瞬时弹性模量增加,黏弹性模量和黏性系数减小;在保载初期,PF界面区域木材管胞壁的蠕变柔量约下降60%,UF界面区域木材管胞壁的蠕变柔量约下降58%。动态力学行为方面,随着加载频率增加,界面材料的储能模量( E ′ r)逐渐增大,而损耗模量( E ″ r)和损耗因子(tan δ)呈减小趋势;当加载频率为10 Hz时,PF和UF树脂渗透使得管胞壁层的储能模量分别增加16%和29%。【结论】胶合界面区域胶黏剂进入管胞壁层,对木材管胞的静态力学性能具有增强作用,同时胶黏剂可提高管胞壁的短期抗蠕变能力;木材管胞壁具有较高的储能模量和损耗模量,而树脂的储能模量和损耗模量较低,经树脂渗透后,木材管胞壁的储能模量增加,但损耗模量和损耗因子呈下降趋势,可能对界面传递和分散应力产生不利影响。     

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。     

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。     

酚醛树脂改性对管胞细胞壁力学性能的影响

采用水溶性低分子质量酚醛树脂处理杉木试样,使用纳米压痕测试技术对其管胞细胞壁的弹性模量和硬度进行测试。结果表明:处理试样管胞细胞壁的平均弹性模量和硬度比对照试样分别增加了32.94%和32.93%。使用紫外显微分光光度计分析得知,处理试样管胞细胞壁的吸光度远高于对照试样,说明低分子质量的酚醛树脂能够扩散进入到纳米级孔隙的杉木管胞细胞壁S2层内,并最终引起细胞壁力学性质的增加。     

我国木材胶黏剂的开发与研究进展

木质原料结构的变化促使木质材料由实体木材向胶接木质材料方向发展,胶接木质材料的发展极大地依托于木材胶黏剂发展和技术进步。笔者从胶接木质材料的发展角度简述了我国木材胶黏剂的开发研究和生产应用状况,以及目前存在的技术问题和今后木材胶黏剂的发展趋势。     

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。     

数字图像相关技术及其在木材科学研究中的应用

数字图像相关方法(DIC)作为一种先进的光学形变(位移和应变)检测方法, 已逐渐成为木材科学领域中一种重要的测试手段。文中概括了DIC的特点与基本原理; 综述了其在木材科学领域中的应用, 主要包括力学性能检测、木材干燥形变测量及其他木质基材料等的相关性能研究; 最后, 对其在木材科学领域研究中遇到的机遇与挑战进行了展望。     

Wood science in a changing world – Where are we headed?

Summary The 1999 IAWS Academy Lecture examined the field of wood science – past, present, and future. Although the history of wood science has been less than a century in the making, the history of innovation in wood products design and use extends over a much longer time frame. It is a bit humbling to realize that some of the products that are discussed in technical and scientific meetings today had their origin hundreds or even thousands of years ago. Wood science research efforts began as early as the late 1800s, but formal establishment of research and academic institutions did not occur until after the beginning of the 20th century. In the half century that followed 1910, wood science gradually became recognized as a separate and distinct field of science, technological development, and professional pursuit. The wood science and technology profession is currently at a defining moment in history. Despite considerable scientific advancement and new product innovation relative to wood science in recent decades, wood science and technology as a profession and field of academic study is undergoing decline in the United States and several other regions of the world. Professional societies, institutions, and agencies that focus on the science and technology of wood as an industrial material, including the International Academy of Wood Science, will likely need to change to be effective in the future. Received 15 October 1999     

应力波木材无损检测技术应用及研究进展

文中概述了应力波传播机理及应力波木材无损检测技术的优缺点与工作过程,介绍了现阶段木材无损检测领域内常用的几种应力波木材检测设备,对其特点进行了分析,并从力学性能检测、内部缺陷检测和影响应力波传播速度的因素3个方面对应力波木材无损检测技术的研究进展进行总结分析,预测其发展前景,以期为该领域的进一步研究提供参考。     

表面光电子能谱（XPS）及其在木材科学与技术领域的应用

表面光电子能谱分析是固体木材及纤维表面化学组成分析最有效及最灵敏的工具之一。本文简要介绍表面光电子能谱的基本原理、分析方法、木材表面化学组成基本特征以及表面光电子能谱在木材科学与技术领域的应用。     

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...     

Application of Nanoindentation Technique in Wood Science

INTRODUCTION Now, many researches in wood science are critically considering the effective use of natural fibers for composite structure, suggesting those as a viable alternative fiber to substitute conventional fibers such as glass, carbon fibers and talc because they are neither biodegradable nor recycleable. Natural fibers have numerous advantages, for examples: low cost, low density, high toughness, and acceptable specific strength properties, ease of processing and separation, biodegr…     

纤维饱和点概念的演变、测试方法及其应用

纤维饱和点(FSP)是木材科学中早期提出的概念,距今已超过1个世纪,在木材-水分关系、物理力学性能等木材科学研究各领域均发挥了重要作用。相较于FSP概念的最初形式,其无论从定义形式还是从物理含义等方面都有了变化,从最初以木材内水分状态及其存在位置的定性描述朝着水分与木材结合形式差异、木材内水分势能边界方向发展。目前国内关于FSP的研究相对滞后,也未见系统的FSP测试原理和方法介绍。本研究对FSP概念演变与发展、测试方法及其优缺点进行系统分析,并在此基础上总结FSP在木材-水分关系、木材干燥技术、改性效果评价中的应用及其进一步发展方向。根据木材-水分关系研究的不同阶段,FSP概念可归纳为4种类型:第1类概念强调以物理力学性质转折点及水分存在位置定义FSP;第2类概念以木材细胞壁容纳水分极限作为FSP,简化了限制条件;第3类概念强调水分与木材结合形式差异,从吸、放热的热物理角度等进行阐述;第4类概念引入溶液热力学概念,将FSP视为木材内不同状态水分的相态边界,给出了FSP明确的物理含义。FSP测试方法可归纳为7类,包括外推法、溶剂排出法、压力板法、示差量热法、离心脱水法、核磁共振法和溶液热力学计算法,除外推法、溶液热力学计算法获得的FSP为计算值外,其他方法都可获得细胞壁内吸着水真实含量,测定的FSP明显高于传统引用的FSP平均值30%,但具体应用时应根据实际需求而定。FSP可进一步在木材干缩湿胀特性分析、木材干燥基准制定等方面发挥作用,同时在木材改性效果评价及改性处理后微观构造分析等领域均可应用。在FSP热力学概念基础上衍生的全含水率区间木材-水分关系的化学势表达方式,以及在此基础上发展而来的木材-水分相态图,将成为今后建立木材-水分关系的科学评价体系机制,并进一步服务于科研与生产。     

世界木材科学研究现状与我国的发展战略

文章论述了木材科学在林业科学和国民经济建设中的地位和作用, 介绍了国外木材科学基础研究的现状及发展趋势.作者对我国木材科学研究现状和存在的问题进行了分析, 并提出了我国木材科学的发展对策和木材科学基础研究的7个重点领域.