栓皮栎软木动态黏弹性研究

软木是从栓皮树上采剥的树皮,是一种天然可再生的生物质材料。通过对软木的动态黏弹性进行研究,可以揭示许多关于软木材料结构和分子运动的相关信息。本试验主要运用动态力学分析技术研究了栓皮栎软木的动态黏弹性,并和国外栓皮槠软木进行了对比。结果表明:在不同测试频率条件下,再生栓皮栎软木的储能模量(E~')均随温度升高而呈现降低趋势,损耗因子(tanδ)曲线主要出现了3个明显的损耗峰,对应的3个损耗过程分别由软木脂无定形区发生玻璃化转变、软木中有关成分发生熔融和吸着水的损失、纤维素和半纤维素发生热软化或降解所引起。再生栓皮栎软木分别沿轴向、径向和弦向进行拉伸测试时,E~'、损耗模量(E~″)和tanδ曲线的变化趋势基本一致,但在相同测试温度下,E~'和E~″在3个方向存在明显差异。在本试验条件下,栓皮栎和栓皮槠软木存在不同温度的损耗峰,主要表现为初生和再生栓皮栎软木的tanδ曲线分别在-10和-19℃出现一个损耗峰,而再生栓皮槠软木对应的损耗峰出现在14℃。     

浅谈木质材料黏弹性的研究和发展现状

介绍了木质材料静态黏弹性和动态黏弹性的参数化表现形式及研究意义,阐述了木质材料静态黏弹性和动态黏弹性的国内外研究和发展现状。

Abstract：

The parameterized representation and research significance of static and dynamic viscoelasity of wood materials are introduced and the domestic and foreign research and development status of the static and dynamic viscoelasity of wood materials are stated     

宣纸流变模型的研究

以宣纸为研究对象,研究其在张力状态下的蠕变和松弛行为.结果表明:采用伯格斯(Burgers)四元件模型能够很好地描述宣纸的蠕变行为,其拉伸蠕变包括弹性变形、黏弹性变形和塑性变形.在总应变中,弹性应变占62%～78%,黏弹性应变占17%～25%,塑性应变占4%～13%.在一定温度和湿度下、在0.2～0.8σmax载荷范围内,弹性应变、黏弹性应变和塑性应变在总体上均随着应力水平增大而相应增加,但弹性应变所占的比例逐渐减小,黏弹性应变和塑性应变所占的比例逐渐增大,最后都趋于稳定.在相同拉应力下,同一张宣纸横向的蠕变小于纵向.利用2阶5参数的Maxwell五元件模型可以描述宣纸的松弛行为,五个元件参数在不同应变水平下变动不大,基本上可视为材料的常参数.     

不同改性沥青高低温流变性能对比

为了对不同改性沥青高低温流变性能进行对比研究,以更加全面有效地评价沥青的流变特性,基于流变学和黏弹性理论,通过动态剪切流变仪对不同改性沥青进行温度扫描和频率扫描,获取相关黏弹性参数,探究同一频率不同温度和同一温度不同加载频率两种模式下沥青黏弹性参数的变化,分别从沥青温度依赖性和时间依赖性两个角度分析不同改性沥青的高温性能;通过弯曲梁流变试验,获取不同改性沥青的蠕变劲度和蠕变速率,拟合计算蠕变劲度指数,以分析不同改性沥青的低温性能。结果表明：随着温度的升高,PE改性沥青和SBS改性沥青的高温抵抗永久变形能力较优,SBR改性沥青的高温抵抗永久变形能力相对略差。在不同加载频率下,各类改性沥青高温抗永久变形能力由强到弱依次是PE改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青。根据弯曲梁流变试验结果,从低温抗变形能力和低温感温性角度分析,SBR改性沥青的低温性能最好,其次是SBS改性沥青,而PE改性沥青低温性能较差,不适宜用作低温地区的道路材料。     

含水率对木材细胞壁黏弹性性能影响研究北大核心

采用纳米压痕静态和动态分析技术,研究了不同含水率马尾松木材的蠕变性能及动态黏弹性。首先在不同环境条件下调节样品含水率,分别为绝干、5.8%、11.2%和20.1%,然后利用纳米压痕技术测试木材的蠕变性能,并利用伯格斯模型,研究木材细胞壁静态黏弹性性能对水分的依赖关系。根据试验结果计算蠕变柔量,在含水率为20.1%、11.2%、5.8%和绝干时,其保载阶段最后蠕变柔量分别为0.638、0.472、0.387 GPa;和0.325 GPa;。最后,利用纳米压痕动态分析技术,获得木材细胞壁动态黏弹性性能。结果表明:随着含水率降低,细胞壁储存模量逐渐增加,而损耗模量逐渐下降。     

木材细胞壁结构及其流变特性研究进展

木材流变学主要研究木材在应力/应变、温度、湿度等条件下与时间因素有关的变形规律和机制,以研究木材的黏弹性为主要内容。木材发生形变时,其实质承载结构是细胞壁,细胞壁的壁层构造和化学组分对其黏弹行为有显著影响,深入了解木材细胞壁结构及黏弹性质对于实现木纤维/塑料复合材料和制浆造纸工艺的高效设计具有重要意义。本文围绕木材细胞壁S2层超微构造和细胞壁化学组分2个方面对细胞壁结构进行阐述,归纳S2层微纤丝角和化学组分对木材细胞壁黏弹行为的影响规律,并从分子水平上解释其作用机制,总结动态力学分析技术和纳米压痕技术在研究木材细胞壁结构与黏弹性之间关系上的具体应用。木材细胞壁的黏弹性受壁层构造的复杂性、化学组分的多样性和外部环境条件等多种因素影响,并且各因素之间存在一定的交互作用。因此,建议今后从以下几个方面开展研究:1)解明木材细胞生长过程中的微纤丝取向、纤维素结晶区与非结晶区比例的分子控制机制;2)阐明木材细胞壁次生壁Matrix的空间组织排列方式、纤维素聚合体与Matrix之间相互作用的力学行为表达;3)揭示木材细胞壁中半纤维素的含量、种类以及木质素类型对细胞壁黏弹性的影响机制;同时将环境外因(温度、湿度)和载荷类型(静态/动态、拉/压/弯)纳入研究体系,系统揭示"湿-热-力"协同作用下木材细胞壁的机械吸湿蠕变行为规律和响应机制;4)联合运用多种测试技术手段,并引入相关学科的研究方法及理论模型,如有限元法及复合材料的研究方法,构建可以解释木材细胞壁黏弹特性的物理和数学模型。     

一种自制环氧树脂结构胶粘剂的动态黏弹性能研究

环氧树脂胶粘剂具有许多修补或加固结构物所需的独特性能。由于其具有极为典型的黏弹性力学性能,研究环氧树脂胶粘剂在老化过程中的动态力学行为不仅具有理论意义,而且具有广阔的工程应用前景。实验采用复配胺类固化剂,自制了一种环氧树脂基修补胶,研究了其动态黏弹性。根据时间-温度等效原理建立了50℃下胶粘剂的频率-模量主曲线,分别使用整数阶和不同阶数的分数阶Zener流变模型对主曲线进行拟合分析。研究表明,分数阶Zener模型在较宽频率范围内对主曲线有较好的拟合效果,且分数阶数越低,拟合效果越好。     

杉木动态黏弹行为的时温等效性

运用时温等效原理研究含水率为0.6%的木材试样的动态黏弹性质。在25～150℃温度范围内,通过频率扫描(0.1～20Hz)试验获得不同恒定温度水平下木材的贮存模量和损耗因子值。将其他温度下的黏弹性曲线通过水平移动因子平移并叠合连接至参考温度(本研究中为135℃)曲线,分别生成一定频率范围内的贮存模量和损耗因子主曲线。通过最小二乘拟合法,采用Arrhenius方程对水平移动因子与温度的关系曲线进行拟合分析。结果表明:贮存模量主曲线的水平移动因子与温度的关系曲线在25～150℃内满足Arrhenius方程,因此利用时温等效原理描述木材的动态刚度性质是适用的;但时温等效原理无法预测木材的松弛转变行为。     

木质纤维材料的热塑性改性与塑性加工研究进展

20世纪70年代,研究者们开始致力于将木质纤维材料转化为热塑性材料的改性研究,近年来进一步提出木质纤维材料塑性加工的学术理念并开展相关研究。本文简要综述木质纤维材料的热塑性改性研究进展和木质纤维材料塑性加工相关的材料特性。从深入分析木质纤维材料的黏弹性及其与主要组分的结构性质关系出发,阐述在基本保持木质纤维材料优良性能的前提下进行塑性加工的基本原理,并进一步提出通过动态塑化和木塑复合等方法实现塑性加工之可能的技术途径,为木质纤维材料资源的高效利用探索新的加工生产方式。     

带黏弹性阻尼器支撑木框架结构抗震性能研究

为研究黏弹性阻尼器支撑对木框架结构抗震性能的影响,设计并制作了板式黏弹性阻尼器和带黏弹性阻尼器支撑的一榀木框架结构缩尺模型,并对该木框架进行了拟动力试验。研究了板式黏弹性阻尼器的耗能特性,同时还研究了带黏弹性阻尼器支撑一榀木框架在地震作用下的位移响应、恢复力-位移曲线和结构刚度退化。结果表明:该板式黏弹性阻尼器具有较好的耗能特性;木框架在8度罕遇地震作用下的层间位移角最大值为1/43,满足木结构弹塑性层间位移角限值1/30的要求;试验过程中带黏弹性阻尼器支撑的木框架力-位移曲线较饱满,黏弹性阻尼支撑耗散了大部分的地震能量,有效提高了木框架结构的抗震能力;木框架的结构刚度在试验过程中随着损伤的累积不断下降,但最终趋于平稳。     

基于修正Burgers模型的浇筑式沥青混合料黏弹性参数确定方法

黏弹性是浇筑式沥青混合料的重要特性之一。首先利用Laplace变换,将修正Burgers模型的黏弹性参数转化为剪切松弛模量的Prony级数形式,以满足ANSYS等有限元软件的黏弹性材料参数输入要求,并通过ANSYS模拟验证了公式的正确性;对浇筑式沥青混合料进行了单轴贯入蠕变试验;利用Matlab软件对蠕变柔量进行拟合,获得了修正Burgers模型表征的黏弹性参数;基于推导的Prony级数公式,对单轴贯入蠕变试验进行有限元模拟,并进行了实际试验的模型应力修正。结果表明:有限元模拟结果与理论计算结果的相对误差小于1%,验证了本研究推导的Prony级数公式的可靠性;应力修正后,有限元模拟结果与试验数据的相对误差能控制在6%以内,显著提高了模型参数识别精度。     

竹龄与竹材部位对毛竹材动态黏弹性的影响

以毛竹材为研究对象,探索不同竹龄、竹秆部位、竹壁部位对毛竹材动态黏弹性的影响。结果表明：在相同的测量条件下,随着测试温度的升高,毛竹材的贮存模量逐渐减小,损耗模量先增大后减小。随着竹龄的增加,毛竹材的贮存模量和损耗模量逐渐增大;在竹秆轴向上,毛竹材的贮存模量和损耗模量自下而上逐渐增大;在竹壁径向上,毛竹材的贮存模量和损耗模量由内而外逐渐增大。     

动态载荷下基于声发射技术的杨木破坏过程检测

利用声发射检测和力学试验相结合的方法,研究山杨木材在动态载荷下的声发射演变过程;结合木材粘弹性特点,通过声发射参数分析研究在不同受力阶段木材的声发射特点.结果表明:1)声发射信号幅值不连续,是跃迁的;材料断裂前声发射信号的幅值和能量比断裂后小,在断裂点对应声发射信号幅值和能量的局部极大值.2)随时间和载荷的变化,声发射累计撞击数和累计能量增加快慢可以体现杨木在受力条件下的完全弹性、弹性为主的弹塑性共存、塑性为主的弹塑性共存3种状态.3)声发射率和幅值参数可以预测材料纤维开始断裂进入危险期的第一"临界点"和材料大量纤维断裂进入严重危险期的第二"临界点",如果继续加载材料将会破坏断裂.     

填充聚合物复合材料黏弹特性研究

聚合物材料作为结构材料应用越来越广泛,在实际服役过程中,普遍承受各种复杂的动态载荷,因而动态的力学性能能够更好的反应其在实际使用过程中的性能.材料的动态力学行为是指材料在振动条件下,即在交变应力(或交变应变、力)作用下作出的响应.它不同于材料的静态力学行为,后者是指材料在恒定的单调递增应力(应变、力)作用下的行为.动态...     

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。     

3D打印用紫外光固化衣康酸基不饱和聚酯树脂的制备与性能

受传统化石资源的枯竭和环境污染的影响,利用生物质资源开发新型高分子材料具有十分重要的意义。首先利用衣康酸(IA)和乙二醇(EG)与3, 3′-二硫代二丙酸(DTPA)在高温下发生缩聚酯化反应,得到生物基不饱和聚酯光敏预体(IED)。然后,将IED和生物基活性稀释剂甲基丙烯酸四氢糠基酯(THFMA)、光引发剂2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)复配得到光固化不饱和聚酯树脂(IEDT)。通过RT-IR监测IEDT的双键转化率和最大转化速率等光固化动力学参数,并测试了光固化材料的力学、热力学等性能。所得光固化材料具有较高的生物基含量(质量分数45.0%～61.1%)和优异的力学性能(拉伸强度最高可达35.3 MPa)。此外,树脂材料中含有动态双硫键,高温下可以发生动态交换,实现了IEDT材料的热压回收和重复利用。将最优树脂进一步应用于数字光处理(DLP)-3D打印,并测量其工作曲线,成功地打印了不同结构的模型。总体来说,该生物基不饱和聚酯树脂(IEDT)在光固化3D打印等领域有良好的应用潜力。     

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。     

白蜡杆材的动态润湿性能

试材为6年生白蜡杆,以脲醛树脂和酚醛树脂为处理剂,通过接触角测量仪测定白蜡杆材不同年轮横切面上不同时段的接触角;并采用动态润湿模型描述接触角在白蜡杆材表面上的扩展过程,即定义一个K值来描述胶黏剂在木材表面上的动态润湿行为。结果表明:润湿模型能够准确地描述胶黏剂在白蜡杆材不同年轮横切面的动态润湿过程;PF在白蜡杆第1～6年轮的K值均大于UF在白蜡杆第1～6年轮的K值,说明PF胶黏剂在白蜡杆材表面的润湿性能较好。     

基于生长轮的杉木早材黏弹性

【目的】比较不同生长轮木材早材黏弹性,探讨全干密度、管胞胞壁率、微纤丝角等因子与木材黏弹性之间的关系,从细胞水平理解木材黏弹行为的作用机制。【方法】以人工林杉木为研究对象,采用X射线剖面密度仪、ZEISS Imager A1显微镜、X射线衍射仪、动态力学分析仪(DMA 2980)分别测定第3、6生长轮(心材)以及第14、18生长轮(边材)早材的全干密度、管胞胞壁率、微纤丝角、弹性模量、贮存模量和损耗模量。【结果】1)边材(第14、18生长轮)的全干密度比心材(第3、6生长轮)略高,4个生长轮管胞胞壁率无明显差异,微纤丝角随树龄增加呈减小趋势。2)早材的弹性模量、贮存模量和损耗模量均随树龄增加而增大,微纤丝角与弹性模量、贮存模量、损耗模量呈显著负相关关系。3)在本研究测量温度范围内(-120～120℃),4个生长轮早材均出现2个力学松弛过程:一是在10℃附近的α力学松弛过程,关于其分子运动归属目前尚无统一定论;二是在-40℃附近的β力学松弛过程,是基于木材细胞壁无定型区中伯醇羟基的回转取向运动引起的。不同生长轮之间的力学损耗峰温度几乎无差异。4)随测量频率(1、2、5和10 Hz)增加,β力学松弛过程的损耗峰温度移向高温方向,α力学松弛过程的损耗峰温度并不随测量频率增加而改变,即无频率依存性。5)与位于边材区域(第14、18生长轮)的早材相比,位于心材区域(第3、6生长轮)的早材发生力学松弛过程所需的表观活化能均较大,可能是由于杉木心材相较于边材有更多的抽提物,抽提物的沉积限制细胞壁中分子链段运动所致。【结论】微纤丝角是影响不同生长轮内早材刚度和阻尼的关键因子,心材与边材表观活化能的差异可能是抽提物沉积所致。     

竹材的拉伸短期蠕变行为及模拟

基于勃格(Burger)四元件流变模型,运用Origin8.5自定义函数拟合毛竹在15%～60%应力水平下5.5 h内拉伸短期蠕变实验数据。结果表明:随应力水平的增大,竹材的拉伸弹性应变及占蠕变总量比例增大,黏弹性应变范围为0.15%～0.31%,其占蠕变总量比例趋于减小;黏性应变范围为0.14%～0.81%,其占蠕变总量比例亦趋于减小。随着应力保持时间的延长,弹性应变无显著变化,但其占蠕变总量比例则减小;黏弹性应变趋于增大,而其占蠕变总量比例则趋于减小,黏性应变及占蠕变总量比例增大。在竹材拉伸应力15%～60%范围内,勃格模型可用来模拟竹材拉伸的短期蠕变行为。