木材细胞壁力学概述

得分：_______ 南京林业大学

研究生课程论文

2014～2015学年第一学期

课程号：43311

课程名称：高级木材学（含竹材）

论文题目：木材细胞壁力学概述

学科专业：木材科学与技术

学号：3140285

姓名：霍子微

任课教师：张耀丽

二〇一四年十二月

木材细胞壁力学概述

霍子微

（南京林业大学材料院，江苏南京 210037）

摘要：对测试木材细胞壁的单纤维拉伸技术和纳米压痕技术进行了概述。从纤维分离方法、纤维夹紧和定向、单根纤维细胞壁横截面面积测量评述单根纤维拉伸技术，并从探针选择，样品表面粗糙度，与其他技术连用等方面分析了纳米压痕技术。

关键词：细胞壁力学；单纤维拉伸技术；纳米压痕技术

Overview in cell wall mechanics of wood

HUO Ziwei

（College of materials science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

Abstract：Advances in the researches of mechanical properties of wood cell were reviewed from the tensile of single fiber and nanoindentation respectively. Fiber separation，fiber clamping and orientation and measurements of single fiber crosssectional area were reviewed from tensile of single fiber. And select from the probe, the sample surface roughness, in conjunction with other techniques and other aspects of the analysis of the nanoindentation.

Keywords：mechanical property of wood cell wall；tensile of single fiber；nanoindentation

引言

细胞壁是木材的实际承载结构，对材料的宏观力学性能有着极其重要的影响，是把木材力学研究从宏观引向微观尺度的最佳桥梁。木材细胞壁的微小尺度决定了细胞壁力学研究需要非常规的力学测试手段，目前能够直接测试木材细胞壁力学性质的主要方法有单根纤维拉伸技术及纳米压痕技术。木材细胞壁力学性质主要是从细胞水平测定木材单根纤维抗拉力学强度，从亚细胞水平测定木材细胞壁的硬度、弹性模量等。本文主要概述了木材细胞壁力学最常用的两种方法：纳米压痕技术和单纤维拉伸技术。

1 单纤维拉伸技术

单根纤维拉伸技术是对化学或机械离析的单根木材纤维直接进行轴向拉伸，可以得到细胞壁的弹胜模量、强度、断裂伸长率等重要指标[1]。该技术最早于1925年由Ruhlemann测量得到化学离析的杉木管胞断裂强度。研究人员主要从纤维

分离方法、纤维的夹紧和定向以及单纤维细胞壁横截而面积来研究单根纤维。1.1 纤维分离

纤维分离可以通过化学离析和机械剥离两种方法得到。化学离析方法:是利用过氧化氢或亚氯酸盐和冰醋酸混合制备离析液，软化分离得到单纤维。机械剥离方法:是在在实体显微镜下将单根纤维用精细镊子挑出粘在特制的有机塑料模板的长槽上。Burgert等[2]比较了两种方法对纤维力学性质的影响，结果显示，机械分离的纤维有着更高的硬度，能够承受较大的载荷，并且比化学浸泡的纤维强度大4倍。曹双平等人[3]采用过氧化氢与冰醋酸质量比1:1的混合液离析制得毛竹、杉木、洋麻、芒麻单根纤维，得出4种纤维的应力位变曲线均表现出明显的线弹性行为，直至断裂。化学离析法方便快捷，纤维分离彻底，但对纤维强度有一定影响；机械剥离避免了化学离析造成的细胞壁化学成分变化，机械扭曲小，测得的单纤维强度大，更适合微拉伸力学测试，但该法较难掌握。

1.2 纤维的加紧

植物短纤维尺寸微小，易被机械损伤，因此夹持和定向是测试中最具有挑战性的技术难题。夹紧方式主要有机械夹紧和胶黏两种方法[4]。Hardacker证实了机械夹紧方式会导致超过50%的试样在夹紧处断裂，认为机械夹紧方式常常压溃夹紧处纤维的细胞壁，从而造成拉伸强度的下降。Kersavage[5]开创了胶粘球槽型夹紧方式，改进了机械夹紧方式，通过在纤维末端固定胶滴而研究出了胶粘方式。这不仅解决了纤维的压溃和滑移问题，而且可以使单根纤维自由取向，从而减少了拉伸剪切引起的破坏。Burgert等[2]在测量对比纤维分离方法时，采用胶粘方法，得到了较好的结果。但是对于幼龄材以及竹材等短纤维，最大的问题就是纤维的夹紧。余雁等[6]在研究中提到一种改进夹紧力的新方法，主要是改进得到创新的夹头，可以有效固定短纤维末端的树脂胶滴。

1.3 纤维的定向

纤维定向在拉伸过程中也是一个必须要注意的问题。加载时，纤维取向明显偏离加载力的方向，容易造成纤维过早拉伸剪切破坏，对实验结果造成很大偏差。因此必须采取措施保证纤维方向与载荷方向尽可能一致。Kersavage[5]在单纤维端头附近滴加环氧树脂形成球形端头，使纤维在拉伸时可以在球槽型夹具系统中自由旋转，以减少纤维拉伸剪切偶联导致的纤维提早断裂失效，该系统显著降低了

纤维在夹紧处断裂的概率，获得的纤维力学强度明显大于其他方法得到的数值，具有较高的可靠性。后来此方法被进一步推广，用于研究木材纤维纵向力学研究。

1.4 单纤维细胞壁横截面面积的测定

通过单根纤维的横截面积就可以得到弹性模量、断裂应力、抗拉强度等力学数据。之前一般采用的方法是把拉断后的纤维包埋在树脂或其他媒介中，用光学或电子显微镜拍摄横切面照片后，再利用图像处理软件测量。这种方法的操作过程繁琐，不利于大批量测试[7]。近年来，激光共聚焦显微镜的出现，解决了纤维横截面面积难以测量的问题。激光共聚焦显微镜技术的发展，使单纤维胞壁面积的测量变得既快速又精确，彻底抛弃了单纤维包埋这一耗时又冗繁的步骤，由于该技术采用快速无损的激光切面，而且能快速测量单纤维的微纤丝角，因此近年来得到了广泛运用。黄艳辉[8]运用激光共聚焦显微镜得到毛竹纤维断裂口的面积，以及单根纤维细胞壁的三维立体图像。这标志着单根纤维力学强度测试精度以及可操作性又上了一个新的台阶。

2 纳米压痕技术

纳米压痕又称深度敏感压痕技术，是最近几年才发展起来的一种新技术。它可以在不用分离薄膜与基底材料的情况下，直接在材料表面进行加卸载的力学测试，得到材料的力学性质，如弹性模量、硬度等[9]。目前，纳米压痕技术广泛采用的理论计算方法是Oliver-Pharr方法（O&P)。在此理论基础上，可以获得试样硬度和弹性模量[10]。

2.1 探针类型

纳米压痕实验中所选用针头的几何形状和尺寸极其重要，针头通常都由质地较硬的金刚石或蓝宝石等材料制成，根据针头的几何形状可分为三角锥型、四角立体锥形、球型和圆柱平头型4种。虽然木质材料属于软性材料，具有粘弹性属性，从减小塑性变形和减小应力集中的角度考虑，应当使用球型压针，但木材细胞壁特殊的分层结构，其主要力学支撑部位为细胞壁S2层，因此测试部位尺寸极小，所以目前在利用纳米压痕技术测试木材细胞壁力学性能时主要采取空间分辨率更高、针头尺寸更小的Berkovich探针[11]。Johannes[12]等发现，用倾角为60°的圆锥型探针测得的模量值比用Berkovich探针测得的模量值小得多。所以，选择适合类型探针，降低或避免由此产生对实验数据的影响仍是今后研究的重点。