木材多尺度結構差異對其破壞影響的研究進展*

王 東 林蘭英 傅 峰

(1. 中國林業科學研究院木材工業研究所 北京 100091； 2. 南京林業大學材料科學與工程學院 南京210037)

1 木材多尺度結構和力學性質差異

1.1 木材多尺度結構

木材主要由纖維素、半纖維素和木質素(三大素)組成，其中纖維素作為增強材料嵌于半纖維素和木質素(基體)中(Gibson，1992)。同時，木材也是一種具有多尺度分級結構的復雜天然高分子復合材料，其多尺度結構主要包括納米級高分子結構、微米級細胞壁多層結構和毫米級生長輪結構(Mishnaevskyetal.， 2008； 劉兆婷， 2008)。納米級高分子結構(圖1a)主要包括三大素的結構、排列取向(Boyd，1982)以及三大素的交聯結構(Terashima，1989； Terashimaetal.， 1993； Atallaetal.， 1993； Duchesneetal.， 2000； Fahlénetal.， 2003)； 三大素按照一定的生物機制沉積形成細胞壁層(Terashimaetal.， 1993)，不同細胞壁層組成微米級細胞壁多層結構(圖1b)； 胞間層連接相鄰的2個多層細胞壁結構形成木材細胞結構(圖1c)，不同形態細胞按照一定方式排列形成木材毫米級生長輪結構(圖1d)。

1.2 木材多尺度結構與力學性質差異

1.2.1 納米級高分子結構與力學性質差異 木材主要化學成分中，纖維素大分子鏈有規則地平行排列，聚集在一起形成基本纖絲，基本纖絲繼續聚合形成微纖絲(Duchesneetal.， 2000； Fahlénetal.， 2003)。微纖絲的方向與終端配合物在質膜上的運動方向有關(Terashimaetal.， 1993)，該運動方向決定木材細胞壁的微纖絲角大小。半纖維素覆蓋在微纖絲表面，決定微纖絲的大小(Terashimaetal.，1993； Awanoetal.， 2002)。半纖維素的排列取向與纖維素相似，但小于纖維素。在微纖絲形成過程中，微纖絲之間形成梭狀空隙，木質素填充在這些空隙中(Boyd，1982)。木質素在胞間層任意排列，但在S2層沿纖維長度方向有一定取向性(Atallaetal., 1985； Bardageetal.， 2004； Salménetal.， 2011)。組成細胞壁的三大素力學性質各異(表1)，纖維素作為骨架物質主要提供沿纖維長度方向的剛度，木質素作為填充物質主要提供木材抗壓強度(?kerholmetal.， 2001； 2003； Gierlingeretal.， 2006； Salménetal.， 2009)。三大素性質各異是木材不同分級結構中結構和力學性質差異的主要原因，因此，研究木材結構和力學性質的差異，解釋木材結構破壞機制，主要與不同分級結構中構造單元的三大素性質差異有關，其中包括各構造單元中三大素含量和微纖絲角的差異。

表1 細胞壁三大素的力學性質(含水率12%)①

1.2.2 微米級細胞壁多層結構與力學性質差異 細胞壁壁層從細胞腔向外依次為次生壁S3、S2、S1層以及初生壁P層和胞間層。胞間層木質素含量最大，初生壁以纖維素和果膠為主，具有很好的彈性和可塑性，與胞間層一起稱為復合胞間層。次生壁因微纖絲角不同分為S1、S2、S3層。S1和S3層的微纖絲接近垂直于細胞軸，決定木材細胞的橫向強度(Haradaetal.， 1985； Barnettetal.， 2004； Donaldsonetal.， 2005)。S1層厚度約占整個細胞壁厚度的10%，雖然厚度較小，但S1層處于復合胞間層和S2層之間，微纖絲角經歷無序、増大再減小的過程，其對細胞壁的力學性能至關重要。S1和S2層之間微纖絲角和聚合物含量從S1到S2層存在明顯變化(Abeetal.， 1991； Br?ndstr?metal.， 2003； Donaldsonetal.， 2005)，S1和S2層之間存在過渡層。研究表明，當S1和S2層之間引入過渡層，細胞壁的理論彈性模量和干縮率與試驗值之間的誤差減小(Wangetal.， 2013； 2014)。S2層厚度最大，其微纖絲角為0～30°，主要決定木材的縱向強度。紋孔是初生壁形成次生壁時細胞壁上未被加厚的部分，其存在使得木材細胞微纖絲角發生改變，破壞S2層和細胞壁的完整性，屬于細胞壁上的天然“缺陷”結構，外載荷作用下易產生應力集中。目前，關于細胞壁各層的結構和力學性質研究相對較多，但對于各層之間的微纖絲角和三大素過渡變化(突變或緩變)僅限于理論推測階段。過渡層的位置、厚度、微纖絲角以及三大素的含量變化對于細胞壁各層之間應力傳遞至關重要，而且在外載荷作用下，壁層之間的應力集中往往也與過渡層有關。此外，木材實際受載時細胞壁變形或應力狀態主要由細胞壁各層性質以及層間相互作用共同決定，目前關于細胞壁各層性質研究比較明確，但外部載荷作用下細胞壁層間的應力傳遞規律以及層間交互影響研究較少。

1.2.3 毫米級生長輪結構與力學性質差異 由于生長季節差異形成早晚材細胞結構，因此木材橫截面表現為多個生長輪結構的同心層狀分布。一般早材壁厚為晚材的20%～50%，早材微纖絲角略大于晚材，早材木質素含量也高于晚材(Bertaudetal.， 2004)。根據多孔性材料結構與力學性質之間的關系(Gibsonetal.， 1999)，木材力學性質主要與木材細胞形狀、壁層厚度、徑/弦向尺寸有關，早材的干縮濕脹(Maetal.， 2006)、彈性模量(Crameretal.， 2005； Farruggiaetal.， 2000)、拉伸強度和斷裂伸長量(邵亞麗， 2012)均明顯小于晚材。木材實際受載時，早晚材在一個載荷體系中，因為早晚材結構差異，其對載荷的響應不同，往往會在早晚材邊界產生剪切破壞。木射線是所有木材都具有的薄壁組織，壁厚一般小于1 μm，在木材橫截面呈輻射狀排列，細胞排列方向與絕大多數細胞不同，木材徑向和弦向物理力學性質差異主要源于木射線的存在。木射線處于縱向排列的細胞之間，射線細胞壁壁層之間、射線細胞壁與縱向細胞壁之間因其力學性質各異，在不同載荷作用下會表現出一定的變形不協調。

綜上可知，在木材生長輪結構范圍內存在“早材細胞與晚材細胞”、“徑向射線細胞與縱向排列細胞”2種結構體系，且每種結構體系單元都存在結構和力學性質的較大差異，每種結構體系內部單元之間也均存在相互影響。早晚材之間的生長輪邊界以及射線細胞與管胞之間的交叉場區域為木材中重要的力學界面，而這些均會引起復雜的木材破壞過程。目前，對于木材細胞壁各層的結構和力學性質研究比較明確，但實際細胞壁受力時細胞壁內各層之間存在相互影響，最終細胞壁失效破壞是多個壁層之間相互作用的結果，因此，研究外載荷作用下各壁層之間的應力傳遞規律，對研究木材細胞壁多層結構的破壞機制具有重要意義。

2 木材多尺度結構差異對木材結構破壞的影響

2.1 三大素結構差異對木材結構破壞的影響

在外載荷作用下，木材三大素大分子間存在分子鏈內以及分子間的氫鍵破壞、滑動和重新組合。隨載荷增大，應力達到破壞共價鍵水平時，化學成分內部C—C和C—O之間的共價鍵受到破壞，大分子鏈變短，之后纖維素結晶區破壞，主要骨架在分子水平上解體，最終導致細胞壁破壞。張雙燕(2011)通過不同梯度脫除木質素和半纖維素的單纖維拉伸破壞研究表明，木質素對細胞壁剛度影響不大，纖維細胞壁的拉伸強度和斷裂伸長率隨木質素含量增加而減小，但半纖維素作為黏結木質素和纖維素的界面高分子，對細胞壁剛度、拉伸強度和斷裂伸長率均有顯著影響。脫木素的纖維斷裂表現出較多的韌性斷裂，而脫半纖維素的纖維斷裂表現出明顯的脆性斷裂。通過纖維素、木質素和半纖維素的排列方向研究，半纖維素對細胞壁的橫向強度影響較大(Berganderetal.， 2002)，對縱向強度影響較小(Stevanicetal.， 2009)。木材細胞壁沿纖維方向拉伸，破壞主要表現為纖維素和木質素的剪切破壞。

2.2 細胞壁壁層結構差異對木材結構破壞的影響

Mark(1967)基于理論分析表明，正常管胞軸向拉伸時斷裂不是始于胞間層，而是經歷2個階段，第1階段為S1層的剪切破壞，第2階段為沿著S2層微纖絲角方向的螺旋開裂，最終破壞模式與S2層微纖絲角有關。Davies(1968)通過研究輻射松(Pinusradiata)木片(80 μm)的縱向拉伸破壞發現，裂紋出現在胞間層或S1層，裂紋從胞間層擴展最終導致木材破壞。這2項研究均采用幾十微米的木片拉伸，試件的加工缺陷會對木材破壞產生影響(Mark，1967)。在研究木材平行紋理方向拉伸時，細胞壁發生細胞壁橫斷、壁層內部破壞和胞間層分離3種情況，其中壁層內部破壞往往發生在S1和S2層之間(Zinketal.， 1994)。斷裂力學是研究材料和工程結構中裂紋擴展規律的一門學科，通常在木材上預制一個裂口，通過探討木材中裂紋的擴展規律來研究木材的破壞模式(邵卓平， 2012； 任海青等， 2001)； 但預制裂口會干擾正常木材的破壞過程，木材易在垂直裂口尖端位置發生剪切破壞，同時材料啟裂所需能量要大于裂紋擴展能量，所以預制裂口會掩蓋木材破壞過程中最先破壞的結構位置。Qing等(2009)采用3D模擬木材細胞結構在外載荷作用下的應力-應變關系，結果發現木材在軸向應變作用下，應力集中在S1和S2層的交界處； 在橫向應變作用下，應力集中在細胞角隅和S3層； 在縱切面內剪切力作用下，應力集中在S2層； 而在橫切面內剪切力作用下，應力集中在S1和S3層。S1和S3層厚度只有0.1～0.2 μm，微纖絲角較大，對縱向力學強度影響小，但對壁層橫向力學強度影響較大，尤其是S1層(Berganderetal.， 2002)。可見，目前關于不同載荷作用下壁層結構破壞時的起始破壞位置尚存在異議。此外，目前判斷細胞破壞位置主要通過斷面的縱切面進行，對于壁層破壞位置判斷不夠精確，因此應從細胞破壞的縱切面和橫切面相互判斷，精準定位木材細胞壁起始破壞位置及裂紋擴展過程。紋孔的存在破壞了細胞壁的完整性，導致紋孔附近的細胞微纖絲角變大，木材受載荷作用時易產生應力集中。木材縱向拉伸時，早材細胞表現為橫穿細胞的破壞，破壞位置為細胞兩端紋孔較多的區域，并沿紋孔邊緣破壞，而晚材破壞沿胞間層擴展，從細胞壁紋孔邊緣位置破壞。Mott(1995)研究云杉(Piceaasperata)晚材軸向拉伸斷裂，裂紋發生在具緣紋孔區域的不同位置，如紋孔緣上下邊緣等。Muzamal等(2017)研究指出，當木材在蒸汽壓力的均布載荷作用下，交叉場紋孔處易產生應力集中，使木材細胞壁產生細小裂紋。

2.3 生長輪結構差異對木材結構破壞的影響

早材細胞因其壁薄、強度低，易形成橫穿細胞壁的斷裂形式，而在早晚材邊界處，由于組織構造差異較大，裂紋從早材向晚材擴展時，會沿邊界處的早材部分延展(任寧， 2007)。鞏翠芝等(2007)通過環境掃描電鏡原位檢測木材縱向拉伸斷裂過程，證實早材細胞的破壞方式為細胞壁橫向斷裂和胞壁內劈裂，晚材細胞的破壞方式為細胞壁橫向斷裂，只有早晚材邊界處出現胞間層之間的劈裂。木材生長輪結構的破壞也與木材細胞類型有關，木射線與纖維細胞生長方向是相互垂直的，在徑切面，2種組織呈交織狀，試件在軸向載荷作用下，當裂紋尖端遇到木射線時，破壞會在木射線邊緣迅速擴展，形成整齊的斷口； 而在弦切面，木射線的存在會阻礙和改變裂紋擴展(任寧， 2007)。Eastering等(1982)研究表明，木材徑/弦向彈性模量差異主要源于木射線的作用。Li等(2010)通過模擬單個細胞受由內向外均布載荷作用，得出木射線細胞強度最低，是最早產生裂紋的木材組織。

綜上，木材破壞主要包括初始裂紋萌生和裂紋擴展過程，裂紋萌生和擴展主要由木材不同尺度單元間結構和力學性質的差異以及木材內部缺陷的不規則演化決定。木材結構破壞首先從細胞壁某一層啟裂，接著裂紋擴展到整個細胞壁，隨后生長輪結構破壞，最后木材整體破壞，因此研究外載荷作用下木材細胞的起裂壁層以及裂紋擴展、建立木材微觀結構與木材宏觀機構破壞之間的關系對于木材破壞機制研究具有重要意義。此外，裂紋萌生、裂紋擴展方向以及在不同組織內部擴展所造成的細胞破壞類型都不同，因此區分木材破壞過程中不同斷面的細胞破壞類型對研究木材微觀結構破壞機制也具有重要意義。

3 木材多尺度結構分析模型構建與理論分析

3.1 木材多尺度結構模型構建

木材結構分析模型包括多孔性結構模型、細胞壁層合板模型、均質化結構模型和多尺度結構模型。多孔性結構模型基于木材細胞結構，木材在橫截面是由形態不同中空細胞組成的蜂窩結構，木材的物理、力學性質與木材細胞的細胞壁、細胞形態有關(Gibsonetal.， 1999)。Easterling等(1982)利用多孔性結構模型研究細胞形態與木材力學性質之間的關系，結果表明，木材細胞越大，木材的剛度和強度越低，木材徑向和弦向彈性模量的差異主要源于木射線的作用； Watanabe等(1999； 2000)根據木材細胞實際參數修正多孔性結構模型，使得測量值與理論值之間的誤差減小。但需要指出的是，木材多孔性結構模型研究過程中并未考慮木材細胞壁的多層結構。木材細胞壁各層可視為纖維增強復合結構(Barberetal.， 1964； Barber， 1968)，胞間層被作為膠合物質連接相鄰的2個細胞壁層，木材細胞壁被等效為反對稱多層同心柱狀的層合板復合材料(Yamamoto， 2004； Yamamotoetal.， 2005)。通常根據經典Halpin-Tsai模型計算各壁層的力學常數，利用層合板拉伸矩陣、耦合矩陣和彎曲矩陣與每一層彈性常數和微纖絲角的關系研究木材細胞壁微力學特性。均質化結構模型基于各相性質平均或微平均的思想(Hofstetteretal.， 2005； 沈觀林等， 2013)，忽略了木材細胞壁的多層結構和年輪特征，未考慮木材細胞類型和形態差異。而多尺度結構模型是結合微觀纖維復合材料模型、介觀細胞壁層合板模型和宏觀木材多孔性模型形成的一種木材多尺度結構分析模型，與其他木材結構分析模型相比，該模型既考慮了壁層內納米尺度結構的差異，也考慮了木材宏觀細胞形態和類型的差異。木材多尺度結構模型構建基于3個假設： 宏觀尺度上，木材作為具有一定形狀和壁厚的蜂窩狀多孔性結構材料，細胞形態、弦/徑壁長度、細胞壁厚度作為主要參數建立木材結構分析模型，其考慮了細胞早晚材差異甚至是木射線的影響； 介觀尺度上，木材細胞壁視為由M、P、S1、S2、S3以及過渡層組成的彈性層合板，各層的力學性質、厚度作為主要參數建立木材細胞壁結構分析模型，其考慮了不同層厚度、過渡層位置以及厚度對木材細胞壁力學性質的影響，同時紋孔作為彈性層合板上的缺陷，分析了紋孔結構對木材細胞壁力學性質的影響； 微觀尺度上，細胞壁的每一層被視為纖維增強材料，層內三大素含量以及微纖絲角作為主要參數，考慮了細胞壁不同層結構差異對其力學性能的影響。

3.2 木材多尺度結構破壞的有限元分析

多尺度結構模型是結合纖維復合材料模型、層合板模型、多孔性模型以及木材年輪特征形成的一種木材結構分析模型，該模型考慮了壁層內納米尺度三大素含量和微纖絲角的差異、微米級細胞壁層性質和細胞形態的差異，甚至考慮年輪內不同細胞類型的差異。木材結構包括納米到毫米的多級尺度結構，不同分級結構單元之間存在差異，而這些差異會導致結構單元之間的力學性能不同，且木材破壞往往也與這些差異有關。通過現有的試驗手段很難完全得到不同分級結構單元的力學性能差異以及破壞機制，特別是微米級結構中細胞壁各層之間的差異和破壞過程，而有限元模擬作為復合材料力學性能分析的重要手段，可有效分析木材不同分級結構單元之間力學性能的差異，解釋木材不同結構的破壞機制。基于多尺度結構模型研究微纖絲角、各壁層厚度、細胞形態差異以及早晚材木材密度對針葉材力學性能的影響，可得到不同載荷作用下各壁層的應力集中位置(Qingetal.， 2009； 2010)。因此，通過木材多尺度結構模型的有限元分析，可有效研究木材結構差異與破壞之間的關系。

4 研究展望

木材破壞主要包括初始裂紋萌生和裂紋擴展，裂紋萌生和擴展主要由木材不同尺度結構單元間結構和力學性質的差異以及木材內部缺陷的不規則演化決定，分析木材內部結構差異以及缺陷對木材結構破壞的影響機制對木材力學性質研究和后續木材增強改性具有一定的理論指導意義。有關木材多尺度結構差異對木材破壞影響的研究建議未來從以下3方面開展：

1) 深入解譯木材微納結構的性質差異，研究木材三大素的排列取向規律以及木材不同化學組分對外部載荷的響應差異，揭示壁層內三大素的變形機制； 研究細胞壁各層化學組分分布以及微纖絲取向不同導致的力學性能差異，分析外載荷作用下各壁層之間存在的應力傳遞規律。

2) 研究不同載荷作用下木材生長輪結構和細胞壁結構的裂紋萌生和擴展規律，精準定位木材破壞過程中不同尺度結構的裂紋萌生位置，區分裂紋在不同木材組織內部擴展時破壞斷面的細胞破壞模式。

3) 借助有限元分析等理論方法，研究木材不同尺度單元間結構差異對木材生長輪結構和細胞壁結構上應力分布規律和應力集中位置的影響，揭示木材多尺度結構差異對木材破壞的影響機制。