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木材多尺度结构的干缩湿胀研究进展

林业科学 2023年第7期59卷 145-154页

作者：殷方宇欧阳白蒋佳荔李珠吕建雄中国林业科学研究院木材工业研究所国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室北京100091

木材干缩湿胀是影响木材加工利用的关键特性,与木制品尺寸和形状的稳定性密切相关。木材宏观到微观层次分明的多尺度分级结构导致木材干缩湿胀行为的复杂性。将木材干缩湿胀研究从宏观尺度引向介观和微观尺度,建立三者之间的有机联系,... 详细信息

木材干缩湿胀是影响木材加工利用的关键特性,与木制品尺寸和形状的稳定性密切相关。木材宏观到微观层次分明的多尺度分级结构导致木材干缩湿胀行为的复杂性。将木材干缩湿胀研究从宏观尺度引向介观和微观尺度,建立三者之间的有机联系,有助于阐明木材干缩湿胀行为的发生机制和演变机理,对深入认识木材性质,合理、高效利用木材具有重要理论价值和实践意义。本研究综述木材宏观尺度(无疵试样)、介观尺度(生长轮)和微观尺度(木材细胞)3种层级单元的干缩湿胀行为及其滞后现象,分析木材不同尺度结构的干缩湿胀行为发生和演变规律,介绍基于多尺度结构的木材干缩湿胀测试方法和技术手段。同时,对今后开展木材多尺度结构干缩湿胀行为研究提出建议:1)在介观和微观尺度上系统开展针叶材和阔叶材基于生长轮和木材细胞的干缩湿胀行为研究,建立木材多尺度结构与干缩湿胀行为之间的构效关系;2)揭示基于各向异性、非均质性和细胞类型多样性引发的干缩湿胀行为差异化响应规律及其互作机制;3)阐明木材干缩湿胀行为的时间滞后和湿胀滞后现象;4)引入相关理论模型,如有限元法的应用,构建木材多尺度结构的自由缩胀可视化有限元模型。

关键词：木材多尺度结构干缩湿胀滞后现象

基于动态热机械分析仪的木材干缩湿胀响应特征研究

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林业工程学报 2023年第2期8卷 52-58页

作者：彭辉蒋佳荔詹天翼吕建雄南京林业大学材料科学与工程学院南京210037 中国林业科学研究院木材工业研究所国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室北京100091

探究了动态热机械分析仪(DMA)测试自由缩胀应变的可行性,揭示了影响木材干缩湿胀应变的主要因子。对比干燥器调湿法和DMA测试法获得的一系列平衡含水率下的全干材(0.6%含水率)湿胀应变量,验证DMA测试干缩湿胀的可行性,从而进一步利用DM... 详细信息

探究了动态热机械分析仪(DMA)测试自由缩胀应变的可行性,揭示了影响木材干缩湿胀应变的主要因子。对比干燥器调湿法和DMA测试法获得的一系列平衡含水率下的全干材(0.6%含水率)湿胀应变量,验证DMA测试干缩湿胀的可行性,从而进一步利用DMA分别测试全干材吸湿、湿材解吸和全干材吸湿-解吸循环过程的干缩湿胀形变。结果表明:干燥器调湿法和DMA测试法测得的应变量数据非常相近,但由于干燥器调湿法人工测量过程中存在误差,使得其数据变异性高于DMA测试法。同一含水率下,水分平衡态和非平衡态下的干缩或湿胀应变量近乎相等。对于水分非平衡态(吸着/解吸过程),不同相对湿度水平下的湿胀/干缩应变量-含水率曲线几乎重合。在水分吸着-解吸循环过程中,湿胀-干缩应变量交替出现的峰值和谷值时间节点滞后于湿度变化,随着循环次数的增加,滞后时间有所缩短。因此,DMA作为干缩湿胀应变量测试的方法是可行的,可以实现水分变化过程中干缩湿胀应变量的实时、快速和准确测量。干缩或湿胀应变量与水分平衡态和非平衡态无关。不同湿度水平下,含水率与干缩/湿胀应变量曲线重合,表明干缩/湿胀变形主要受含水率影响,与湿度水平无关;但相比吸着过程,解吸过程较低的应变量揭示了木材干缩湿胀与水分子吸着状态有关。

关键词：动态热机械分析仪干缩湿胀吸着解吸

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数字图像相关技术表征木竹材干缩湿胀的适用条件

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林业工程学报 2024年第6期9卷 60-67页

作者：詹天翼范一鼎朱健祎刘昊源彭辉吕建雄南京林业大学材料科学与工程学院南京210037

数字图像相关技术(DIC)是表征木竹材干缩湿胀的有效手段。传统DIC分析需对木竹材表面施加人工散斑点,近年来也有报道利用管胞、木纤维等天然孔隙作为自然散斑点进行DIC分析,但自然散斑与人工散斑表征木竹材干缩湿胀是否具有差异尚无定论... 详细信息

数字图像相关技术(DIC)是表征木竹材干缩湿胀的有效手段。传统DIC分析需对木竹材表面施加人工散斑点,近年来也有报道利用管胞、木纤维等天然孔隙作为自然散斑点进行DIC分析,但自然散斑与人工散斑表征木竹材干缩湿胀是否具有差异尚无定论,采用自然散斑对不同树种的干缩湿胀进行表征时的适用条件也尚不明确。因此,以人工林杨木、杉木和毛竹为研究对象,对比了2种散斑方式(自然散斑、人工散斑)DIC与实测法对干缩湿胀变形的表征差异,讨论了采用自然散斑进行干缩湿胀表征时的适用条件。研究结果表明,在水分解吸、吸着过程中,2种散斑方式对木竹材干缩、湿胀变形的表征存在差异,且该差异与树种、纹理方向、相对位置等因素有关。相较于人工散斑,自然散斑与实测结果无显著差异,即自然散斑更适合表征木竹材的干缩湿胀变形。管胞、木纤维、竹薄壁细胞以及维管束均可作为自然散斑点表征干缩湿胀变形。根据作为自然散斑点的细胞类型,调整DIC相应的像素点尺寸和步长:像素点尺寸需调整至该类型细胞(腔)尺寸的1/10~1/5;步长需调整至确保子集移动距离与该类型细胞(腔)尺寸相近。研究结果为准确利用DIC表征木竹材干缩湿胀变形提供了理论依据与实际参考。

关键词：干缩湿胀数字图像相关技术(DIC) 自然散斑人工散斑

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基于分布式应变感测的纤维加筋膨胀土干缩湿胀特性试验

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南京工业大学学报（自然科学版） 2018年第5期40卷 112-117页

作者：顾鹏徐洪钟孙义杰尤波南京工业大学交通运输工程学院江苏南京210009

为了研究素膨胀土和玄武岩纤维加筋膨胀土在干缩湿胀过程中的应变分布及其裂缝发育规律,试验设计了一个长100 cm、宽7 cm、高5 cm的室内模型钢槽,将传感光纤埋于钢槽中以测量素膨胀土和玄武岩纤维加筋膨胀土应变。基于布里渊光时域分析... 详细信息

为了研究素膨胀土和玄武岩纤维加筋膨胀土在干缩湿胀过程中的应变分布及其裂缝发育规律,试验设计了一个长100 cm、宽7 cm、高5 cm的室内模型钢槽,将传感光纤埋于钢槽中以测量素膨胀土和玄武岩纤维加筋膨胀土应变。基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)获得了土体应变分布。结果表明:在膨胀土干缩湿胀过程中,膨胀土模型区域最大收缩应变与含水率之间呈近似线性的负相关。随着含水率的变化,纤维加筋膨胀土应变量和应变变幅均小于素膨胀土的应变量和变化幅度,说明玄武岩纤维显著降低膨胀土的拉伸应变和收缩应变,限制膨胀土的变形和抑制裂缝的发育。

关键词：膨胀土纤维加筋干缩湿胀布里渊光时域分析技术(BOTDA)

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预处理方式对黑胡桃木干缩湿胀特性的影响

中南林业科技大学学报 2017年第3期37卷 104-110页

作者：魏路孙照斌陈凤义邵利英马淑玲相广东南京林业大学家具与工业设计学院江苏南京210037 河北农业大学林学院河北保定071000 廊坊华日家具股份有限公司河北廊坊065001

对黑胡桃木进行了微观构造观察、抽提物含量测定,并测重分析了5种预处理方式对黑胡桃木干缩湿胀性能的影响。结果表明:不同抽提处理抽提物含量不同,抽提物含量从大到小依次为NaOH、热水、冷水、苯醇;在RH65%→RH33%过程中,干缩率数值从... 详细信息

对黑胡桃木进行了微观构造观察、抽提物含量测定,并测重分析了5种预处理方式对黑胡桃木干缩湿胀性能的影响。结果表明:不同抽提处理抽提物含量不同,抽提物含量从大到小依次为NaOH、热水、冷水、苯醇;在RH65%→RH33%过程中,干缩率数值从大到小依次为未处理、汽蒸处理、NaOH处理、苯醇处理、冷水处理、热水处理;在RH65%→RH86%过程中,湿胀率数值从大到小依次为未处理、NaOH处理、苯醇处理、冷水处理、热水处理、汽蒸处理,其干缩湿胀特性数值大小与抽提效果基本相一致;分析认为预处理影响黑胡桃木中抽提物含量、木材中的亲水基团以及纹孔膜的上微孔孔径等,进而直接影响黑胡桃干缩湿胀性质;热水预处理可显著降低黑胡桃木干缩湿胀,是一种较好预处理方式。

关键词：黑胡桃木构造抽提物预处理干缩湿胀

木材的水分吸着和干缩湿胀——从静态到动态的研究

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湖北农业科学 2013年第21期52卷 5121-5125页

作者：马尔妮北京林业大学材料科学与技术学院北京100083

较系统地介绍了木材的水分吸着和干缩湿胀从静态到动态研究的发展历程,并归纳了有关恒定温、湿条件和湿度循环条件下及湿度循环过程中3个阶段木材水分吸着和干缩湿胀的研究成果及存在的问题,同时对今后需要研究的课题进行了讨论。旨在... 详细信息

较系统地介绍了木材的水分吸着和干缩湿胀从静态到动态研究的发展历程,并归纳了有关恒定温、湿条件和湿度循环条件下及湿度循环过程中3个阶段木材水分吸着和干缩湿胀的研究成果及存在的问题,同时对今后需要研究的课题进行了讨论。旨在帮助木材科学工作者对该领域的研究进行较全面的了解,并希望他们能够从中得到启迪和借鉴,把这方面的研究工作提到一个更新、更高的层次上。

关键词：木材水分吸着干缩湿胀静态条件动态条件

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实木地板的干缩湿胀对其漆膜性能的影响

木材工业 2014年第4期28卷 44-46页

作者：孙伟圣王艳伟徐立杨植辉张秋娟晁久吴忠其久盛地板有限公司浙江南浔313009

研究木材干缩湿胀对实木地板不同油漆漆膜性能的影响。结果表明:经普通紫外光固化漆(UV)涂饰的地板,表面漆膜因基材过度干缩产生皱缩,导致光泽度降低,过度湿胀导致漆膜开裂;采用柔韧性较好的弹性漆涂饰地板,基材干缩后漆膜表面光泽度仅... 详细信息

研究木材干缩湿胀对实木地板不同油漆漆膜性能的影响。结果表明:经普通紫外光固化漆(UV)涂饰的地板,表面漆膜因基材过度干缩产生皱缩,导致光泽度降低,过度湿胀导致漆膜开裂;采用柔韧性较好的弹性漆涂饰地板,基材干缩后漆膜表面光泽度仅小幅度降低,湿胀后漆膜不开裂。说明实木地板应选择具有一定柔韧性,可适应基材一定范围内尺寸变化的弹性油漆。

关键词：实木地板干缩湿胀漆膜柔韧性光泽度开裂

石蜡乳液处理南方松木材的水分吸着与干缩湿胀

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石蜡乳液处理南方松木材的水分吸着与干缩湿胀

作者：周氏清(Chau Thi Thanh) 北京林业大学

学位级别：硕士

木材在户外使用时易发生物理、化学和生物劣化,其耐腐性与含水率有关系密切。因此,很多研究者致力于降低含水率的研究,以及能达到低于其临界值的效果。石蜡乳液(PWE)是木材工业领域中应用最广泛的防水剂,它与木材之间以范德华力产生物... 详细信息

木材在户外使用时易发生物理、化学和生物劣化,其耐腐性与含水率有关系密切。因此,很多研究者致力于降低含水率的研究,以及能达到低于其临界值的效果。石蜡乳液(PWE)是木材工业领域中应用最广泛的防水剂,它与木材之间以范德华力产生物理吸附,并没有化学结合。因此,本研采用石蜡乳液以不同经济可行的浓度处理南方松实木,考察其在一定的温度条件下及多种的相对湿度和正弦变化的相对湿度的条件下,石蜡乳液处理对对木材的含水率及横向尺寸变化并对处理材的进行了增重率测定与扫描电镜分析(SEM)。主要研究结果总结如下(1)经过0.5%,1%和2%PWE三种石蜡乳液浓度处理的试材的增重率分别为0.7%、1.5%和2.8%。2%PWE处理材的SEM分析证实了石蜡乳液在试材里面的存在。(2)静态水分吸湿实验中的含水率变化情况说明,平衡含水率随着PWE处理浓度的增加而下降,即水分吸着系数(Z)和水分吸湿斜率在前24h的最大值所属于未处理材。取决于相对湿度值与PWE处理浓度,防湿效果(MRE)从3%变化到25%。石蜡乳液处理也对木材的水分吸着产生有助的影响。此外,通过评价Hailwood-Horrobin的一些常数,为了确认PWE对木材防湿的重要作用。(3)静态条件下,平衡态下各相对湿度的横向尺寸湿胀是各向异性的,随着PWE处理浓度增加横向尺寸湿胀率呈现减小的趋势。另外,通过对湿度膨胀系数(Y)和水分膨胀系数(X)的评价,可以再次确认PWE有利于改善木材的尺寸稳定性。PWE处理也可以降低吸湿过程中的尺寸湿胀率(4)在动态实验过程中,所有试材的水分与横向尺寸变化趋势都呈现正弦波形。相同厚度试件的水分振幅增加随着循环周期增加,而相同循环周期条件下的10mm厚试材的振幅小于4mm厚试材。此外,随着PWE处理浓度增加,含水率振幅与Z值下降,导致防湿效果在10%-66%范围内。PWE处理材的尺寸变化振幅和Y值比较低,这反映了PWE处理的防变形效果。然而,处理材的X值无明显变化。(5)所有试材的含水率与横向尺寸的变化都滞后于相对湿度的变化,即相位滞后。其中,含水率得到了最大值,其次是弦向、径向尺寸变化的。同一厚度的相位滞后随着周期延长而下降,而10mmm厚的相位滞后比4mm厚的大。PWE处理材的相位滞后趋势类似于未处理材,但相位滞后随着PWE处理浓度增大而增大。所有试材都呈现吸湿滞后和膨胀滞后现象,但随着PWE处理浓度增大,吸湿滞后和膨胀滞后均减小(6)经过静、动态两种实验条件中的实验结果进行了比较,可以发现在动态条件实验中PWE对处理材性能的改善效果更加显著。

关键词：木材石蜡乳液水分吸着干缩湿胀

结构用开孔重组竹干缩湿胀规律与抗弯性能研究

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结构用开孔重组竹干缩湿胀规律与抗弯性能研究

作者：黄紫蓝南京林业大学

学位级别：硕士

结构用重组竹作为力学性能优异的绿色建材,近年来逐渐被投入低碳建筑中使用。建筑工程中,重组竹构件常需要在销槽承压节点处或在构件特定位置开孔以通过建筑电气水暖等管件。本论文研究了结构用重组竹的干缩湿胀和三点弯曲性能,具体探... 详细信息

结构用重组竹作为力学性能优异的绿色建材,近年来逐渐被投入低碳建筑中使用。建筑工程中,重组竹构件常需要在销槽承压节点处或在构件特定位置开孔以通过建筑电气水暖等管件。本论文研究了结构用重组竹的干缩湿胀和三点弯曲性能,具体探究了不同开孔方向(径向/弦向)、开孔直径(6/10/14mm)的重组竹及孔洞在干缩湿胀过程中的形变规律;探究了不同开孔位置(居中/偏置)和不同开孔方向(径向/弦向)的重组竹三点弯曲加载过程中的形貌变化及弯曲力学性能、孔洞与断裂处的破坏形貌,并建立了ABAQUS内聚区模型。研究结论如下:结构用开孔重组竹径向和弦向的干缩率分别为1.14%和1.56%、湿胀率分别为1.49%和3.38%,弦面和径面孔洞面积干缩率分别为1.18%和1.24%、湿胀率分别为–1.14%和2.42%,弦面和径面孔洞干缩k值分别为97.09%和94.86%、湿胀k值分别为98.6%和97.89%;孔洞直径的变化对开孔重组竹的干缩与湿胀性能影响不显著,对孔洞自身形状变化的影响显著;随着含水率的递增,开孔重组竹的干缩/湿胀率、孔洞面积呈指数增长趋势,孔洞k值呈线性增长趋势。从尺寸稳定性角度,气干至全干、全干至饱水状态过程中重组竹径向和弦向的干缩/湿胀差异显著,对重组竹开孔可改善其尺寸稳定性,孔洞自身因含水率变化而产生的干缩效应比湿胀效应剧烈。创建了结构用开孔重组竹三点弯曲的数学模型。径向居中开孔的的破坏裂纹在穿越圆孔后逐渐扩展至加载点,裂纹长且分散,分层现象与偏移现象明显;弦向居中开孔的重组竹产生的裂纹并未延伸至圆孔处,裂纹短而密集,分层现象与偏移现象不明显。偏置开孔的重组竹裂纹形态与未开孔重组竹相似,在断裂处出现拉伸型与脆弱型结合的弯曲破坏形式,其中偏置径向开孔的重组竹出现两种破坏形貌,一种是在拉伸侧产生裂片状破坏,一种是裂纹扩展至圆孔后试样直接错位开裂。径向/弦向开孔的重组竹峰值荷载分别为5127.33N、5342.71N;居中/偏置开孔的重组竹峰值荷载分别为5045.95N、5423.79N。径向开孔的重组竹的抗弯强度(124.33±23.42 MPa)小于弦向开孔的重组竹的抗弯强度(128.72±29.75 MPa);径向开孔的重组竹的抗弯弹性模量(9.73±1.64 GPa)小于弦向开孔的重组竹的抗弯弹性模量(10.47±2.00 GPa)。居中开孔的重组竹的抗弯强度(115.39±22.30 MPa)小于偏置开孔的重组竹的抗弯强度(125.79±28.27 MPa);居中开孔的重组竹的抗弯弹性模量(10.20±1.44 GPa)大于偏置开孔的重组竹的弯曲弹性模量(10.00±2.21 GPa)。与未开孔重组竹相比,径向开孔与弦向开孔的重组竹屈服荷载依次降低了6.33%和1.62%,居中开孔与偏置开孔的重组竹屈服荷载依次降低了7.08%和0.92%;径向开孔与弦向开孔的重组竹初始刚度依次降低了15.23%和4.81%,居中开孔与偏置开孔的重组竹初始刚度依次降低了12.12%和7.88%。径向开孔重组竹的延性系数、耗能能力、静态韧性系数均大于弦向开孔重组竹。对比不同开孔位置的结构用重组竹,居中开孔重组竹的耗能能力、静态韧性系数均小于偏置开孔重组竹,居中开孔重组竹的延性系数略大于偏置开孔重组竹。ABAQUS内聚区模型(CZM)可以模拟出重组竹三点弯曲试验的裂缝延展。重组竹的CZM模拟得到的等效应力变化与实际试验破坏变形结果一致。重组竹弹性阶段的直线斜率和实际试验所得的斜率吻合,其中径向/弦向居中开孔重组竹CZM的弹性段直线斜率分别增加了13.82%和38.53%,径向/弦向偏置开孔重组竹CZM的弹性段直线斜率分别增加了23.42%和8.70%,CZM可以有效模拟出重组竹的弹性阶段。CZM模拟得到的峰值荷载与初始刚度的误差小于10%。CZM模拟三点弯曲试验的结果吻合较好,模型较为合理。

关键词：重组竹开孔干缩湿胀抗弯性能有限元模拟