木材多尺度界面结构及其力学性能的研究进展

料 ［4］。由于生长环境的变化，在生长季节早期形成腔
胞壁壁层结构、微纤丝取向、化学组分的分布和结合
大壁薄的细胞称为早材，在末期形成腔小壁厚的细胞
方式等） 和微观力学性能对木材的宏观力学性能会产
称为晚材。早晚材机械性能的不同取决于早晚材的密
。木材的多尺度结构主要包括：毫
度和微纤丝角差异 ［5］。通常，晚材的密度比早材的
米级的生长轮结构、微米级的细胞多孔结构和细胞壁
大 ［6-7］，这与细胞壁的尺寸和厚度有关 ［8］，早材次生
木材界面指的是木材结构中紧密接触的两相之间
Cramer 等 ［11］ 指出，晚材的强度和硬度是早材的 2~3
生重要的影响
［1-3］
多层结构以及纳米级的高分子结构 （见图 1）。
壁层的微纤丝角 （约 20°） 比晚材的 （约 12°） 大 ［9-10］。
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
第 36 卷
第 1期
89
木材多尺度界面结构及其力学性能的研究进展
Fig. 1
图 1 木材的多尺度结构
Graphical illustration of the multi-scale structures of wood
结构与性能有显著变化的且具有一定厚度的过渡区
倍。晚材的抗拉强度、抗弯强度和弹性模量均大于早
域，起载荷传递和应力分散的作用，对木材的强度、
材 ［6，12-13］。除了木材密度和微纤丝角大小外，化学组
韧性、稳定性和耐候性都有着重要的影响。木材结构
分含量对早晚材力学性能也有影响。Prošek 等 ［14］ 通
射线与轴向细胞之间的界面相进行研究，从而有助于
在木材中，不同功能的细胞通过胞间层相互粘
结，使得木材具有高度各向异性 ［16］。针叶材结构简
单且均匀，主要由沿轴向排列的管胞 （90%~95%）
和沿径向排列的射线细胞 （5%~10%） 组成 ［17］。与针
叶材相比，阔叶材的结构较为复杂，主要由木纤维、
导管和木射线组成。木纤维是沿轴向排列且腔小壁厚
针叶材
起水分传输作用。木射线沿径向排列，约占木材体积
阔叶材
用
。导管也是沿轴向排列，约占木材体积的 30%，
收稿日期：2020⁃12⁃02
基金项目：国家自然科学基金重大项目 （31890772）。
作者简介：龙克莹，女，1992 年生；在读博士研究生；主要研究方向：木材界面结构研究。
* 通信联系人：林兰英，副研究员，硕士生导师；主要研究方向：木基功能复合材料；E-mail：linly@caf. ac. cn。
用提供科学依据。
关键词：多尺度界面结构；界面结构力学性能；细胞壁；载荷传递
中图分类号：TS72；S781
文献标识码：A
DOI：10. 11981/j. issn. 1000⁃6842. 2021. 01. 88
木材是一种多尺度且高度各向异性的非均质天然
年分生形成同心圆状的生长轮结构组成的复合材
高分子复合材料，其微观结构 （如细胞形貌结构、细
中 国 造 纸 学 报
Transactions of China Pulp and Paper
88
Vol. 36，No. 1，2021

综


述

木材多尺度界面结构及其力学性能的
研究进展
龙克莹 1 王
东 2 林兰英 1，* 傅
峰1
（1. 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京，100091；2. 西北工业大学文化遗产研究院，陕西西安，710072）
来解释含水率变化对晚材抗拉强度和弹性模量的影响
L 方向） 破坏体系中，木射线往往是木材破坏的起裂
比早材的大，这与微纤丝的取向有关。早晚材之间界
点，因为木射线与外载荷同轴。因此，木射线会弱化
面相的位置、细胞形态、密度、微纤丝角以及三大化
与之相邻轴向细胞之间的接触面，使得木射线更容易
学组分含量变化对早晚材之间应力传递至关重要，系
从相邻的细胞中剥离出来 ［24］。目前，尚不清楚这种
统地研究早晚材结构性能的变化对早晚材力学性能的
破坏位置是发生在木射线处，还是轴向细胞处，还是
影响，有助于对早晚材应力传递的理解。
木射线与轴向细胞之间的界面处。目前，针对木材木
2
射线与轴向细胞之间界面相的研究很少，今后可对木
不同组织细胞间界面结构及其力学性能研究
在关系，将有助于木材的加工改性与高效利用。
轴向/弦向弹性模量以及弦向极限抗拉强度在生长轮
1
早晚材间界面结构及其力学性能研究
木材的宏观结构表现在横截面是由形成层通过逐
内均呈现相同的变化趋势，早材的密度、轴向/弦向
弹性模量和弦向极限抗拉强度较小，晚材的较大。
Roszyk 等 ［6］ 通过研究生长轮内微纤丝角的变化规律
摘
要：木材是一种多尺度且高度各向异性的非均质天然高分子复合材料，其力学性能取决于各个尺度的物理结构和化学组成。木材
多尺度界面结构对木材的载荷传递和应力分散有重要的影响。本文从毫米级的生长轮结构到纳米级的高分子结构，总结了木材多尺度
界面与其力学性能之间的内在关系，以期有助于揭示木材界面结构的应力变化、分布与传递的内在规律，并为木材加工改性与高效利
对理解影响木材和木基材料性能和木材微观行为具有
对木材载荷传递和应力分散会产生重要的影响。因
重要意义 ［15］。除了单独讨论木材早晚材结构对力学
此，深入研究木材多尺度界面结构特性、界面结构力
性能的影响外，Lanvermann 等 ［5］ 研究了挪威云杉生
学性能的变化规律以及界面结构与力学性能之间的内
长轮密度变化对其力学性能的影响，发现木材密度、
对木材 3 个方向载荷破坏的理解。
表 1 针叶材和阔叶材主要细胞的特征
Table 1 Characteristics of the most important
cells in softwoods and hardwoods
材种
的 细 胞 ， 约 占 木 材 体 积 的 55%， 起 机 械 支 撑 的 作
具有典型的多尺度特征，其主要界面包括：早晚材之
过准静态纳米压痕和动态模量成像发现，早材的压痕
间的界面、各种基本组织木质素含量比晚材
壁内各层之间的界面以及三大化学组分 （纤维素、半
高，而纤维素含量比晚材低。早材和晚材的性能测定
纤维素和木质素） 之间的界面。木材多尺度界面结构