热带雨林木材的粘弹性性能研究

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木材是一种主要由纤维素、半纤维素与木质素三种大分子构成的天然高分子复合材料,其粘弹性行为与木材的微观结构因子及其化学组分密切相关。本论文通过实验与建模相结合的方法,旨在阐释微观构造与化学成分对于木材粘弹性性能的作用机理,深入理解木材粘弹性的本质。   本文研究了三种热带雨林树种(Simarouba amara,Carapa procera和Symphonia globulifera)的动态粘弹性性能(动态弹性模量E’/ρ,损耗因子tanδ)沿径向的变化趋势。结果表明,实验木材的动态弹性模量从髓心到树皮逐渐减小,损耗因子则沿径向增加。这种异于温带树种的径向趋势源于增生层在外界环境影响下的自我调节作用。纤丝角决定木材的动态弹性模量;损耗因子除受纤丝角的影响外,还与萃取物的含量有关。通过分析log(tanδ)-log(E’/ρ)曲线,可以有效解耦纤丝角与萃取物对损耗因子的作用。   使用力学动态分析方法(DMA)测量了木材纵向粘弹性性能随频率的变化规律。重点评价了该方法对于木材纵向力学性能表征的适用性,讨论了实验的误差来源,并给出较完备的数据修正方案。   从微观尺度上研究了Carapa procera木材试样在准静态以及动态载荷下的粘弹性性能。结果表明,细胞壁的压痕蠕变速率与蠕变应力之间满足幂次率关系。动态粘弹性性能与压入深度以及频率有关。损耗因子-频率曲线与损耗因子-温度曲线比较初步证实了温频等效原理的适用性。   建立木材纵向粘弹性性能的细观力学模型,模拟木材粘弹性性能与纤丝角、S2层纤维素含量、S2层相对厚度等微观因子的关系。研究结果表明,纤丝角与基体损耗因子是影响木材粘弹性性能的重要参数。
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