木材顺纹压缩与多维弯曲技术研究

摘要

木材顺纹压缩与多维弯曲技术蕴涵着多学科知识的交叉融合，具有一定的理论深度和显明的应用性，是当今备受关注的研究热点之一。该项研究，特别是在木材顺纹压缩应力-应变本构关系的建立、多维弯曲和定型技术等方面，可以填补迄今为止，尚无相关研究报道的缺憾。该技术可以拓宽木材应用领域，是一项科学、合理地利用木材资源，有利于环保的新技术。在未来的木制品设计和生产中，实体木材的多维弯曲可以改变木制品的造型和结构特征，为有效地利用木材创造了更加广阔的空间。
　　本文以木材顺纹压缩与多维弯曲技术的研究为总目标，首先将木材进行软化处理，优化软化处理方法;其次，对软化处理后的木材进行顺纹压缩，建立木材顺纹压缩中应力-应变的本构关系，分析压缩和回弹中木材的弹性、弹塑性的变化规律;第三，对顺纹压缩木材在允许的应变范围内以获得较小弯曲曲率半径和实现多维弯曲，分析木材弯曲后的弹性、弹塑性的变化规律，初步建立木材单维弯曲中应力-应变的本构关系，确定木材单维和多维弯曲的最小曲率半径;第四，对于弯曲的曲线形零件进行定型处理，分析定型方法、定型过程中的各种条件变化对木材弯曲定型的影响。通过上述研究确定木材顺纹压缩与多维弯曲的技术。
　　论文以东北重要的商品材榆木和水曲柳为试材，进行了木材顺纹压缩与多维弯曲技术的试验研究:
　　(1)在软化处理试验中，分别对幼龄材与成熟材进行探索性试验，最终确定水热、水热-微波以及复配碱液处理作为本试验的软化处理方法，通过后续试验（顺纹压缩率、PDR以及弯曲曲率半径等）的结果，对软化后的木材，通过X-射线衍射仪测定相对结晶度、FTIR测试木材表面性质以及测定木材化学组分的变化等，探讨幼龄材、成熟材在三种软化处理后木材化学组成成分、相对结晶度等方面的变化规律。
　　结果表明，三种软化处理均使木材各个化学组分产生不同程度的变化，特别是木质素、半纤维素和抽提物发生了不同程度的降解，总的降解趋势是复配碱液处理的降解幅度最大，水热处理的降解幅度最小;成熟材的各自化学组分的降解幅度小于幼龄材;相对结晶度由于抽提物的抽出和相应的化学组分降解均有不同程度的提高;尽管幼龄材的PDR大于成熟材，但是后续试验结果表明成熟材顺纹压缩效果好于幼龄材;水热-微波处理中B方案更适合木材顺纹压缩。
　　(2)在顺纹压缩试验中，配备特制压缩模具与力学实验机结合，对软化后的木材进行顺纹压缩。测定了应力、应变、顺纹压缩率和PDR等指标，采用X射线微密度仪测定木材顺纹压缩前后密度变化，扫描电子显微镜观察木材顺纹压缩后细胞壁褶皱的变化情况等。
　　分析得出，水热-微波处理的顺纹压缩率较大，复配碱液软化处理的顺纹压缩率较小;顺纹压缩应力是榆木小于水曲柳，各自的成熟材小于幼龄材;在同一顺纹压缩率下，各自幼龄材的PDR都大于成熟材;建立的顺纹压缩应力-应变本构关系中，各自分段区域符合线形的力学关系;压缩后木材的密度变化为成熟材密度大于幼龄材，而幼龄材的密度波动较大;分析压缩和回弹中的木材的弹性、弹塑性、密度变化以及顺纹压缩后细胞壁内形成褶皱的变化规律，揭示了木材顺纹压缩机理;得出适宜的木材顺纹压缩的工艺条件。
　　(3)在多维弯曲的试验中，采用圆形和S型弯曲模具与力学试验机配合使用，分别对木材的弦向、径向进行了单维和多维弯曲，扫描电子显微镜观察弯曲后木材细胞壁褶皱的变化，通过调整圆形模具的半径及采用多维弯曲模具，求出单维和多维弯曲的最小曲率半径。
　　研究表明，木材的材性、顺纹压缩率、PDR等因素对弯曲曲率半径有显著的影响，幼龄材的弯曲性能不如成熟材;在弯曲过程中，弯曲拉伸面的褶皱开始展平，而压缩面的褶皱开始恢复到木材压缩时的压缩率，而最终破坏点是在弯曲试材拉伸面的中间部位;从初步建立的单维弯曲应力-应变本构关系中，得出弯曲的初始阶段符合线形的力学关系;榆木单维和多维弯曲曲率半径远远小于水曲柳，而各自成熟材的弯曲曲率半径都小于幼龄材，木材弦向弯曲曲率半径小于径向;水热-微波软化处理获得的弯曲曲率半径最小，得出了木材多维弯曲的工艺参数。
　　(4)在木材弯曲定型试验中，采用直接干燥、水热-干燥、微波-干燥定型方法。通过快速检测弯曲木材曲率回弹性，定点监测弯曲木材的含水率，采用预埋式探针式温度计和点测温度计，测定微波定型处理过程中木材温度的变化。
　　综合分析得出，纤维饱和点是弯曲木材回弹的分界点，在纤维饱和点以下时，回弹速度几乎成直线上升，当超过纤维饱和点时，回弹速度开始缓慢增加;复配碱液软化处理的弯曲试材，后期定型效果最好，水热软化处理的试材，后期定型效果最差;幼龄材的定型效果通常好于成熟材;微波-干燥定型效果最好，直接干燥定型效果最差;揭示了弯曲定型机理，讨论了应力释放与定型的关系，分析定型过程中的各种条件变化对木材弯曲定型的影响。确定了木材弯曲的定型工艺。
　　通过木材软化处理、顺纹压缩、木材单维弯曲和多维弯曲以及弯曲定型机理和工艺研究，确定了木材顺纹压缩与多维弯曲技术，为有限的木材资源科学地、合理地、高效地利用提供理论依据和实践指导。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 木材软化处理

1．2．2 木材压缩

1．2．3 木材弯曲

1．2．4 木材弯曲定型

1．3 存在的问题

1．4 设想与学术创新

1．4．1 设想

1．4．2 学术创新

2 研究内容、技术路线和试材制备

2．1 研究内容

2．2 技术路线

2．3 树种选择与试材制备

2．3．1 树种选择

2．3．2 试材制备

3 木材软化处理

3．1 试验和测试方法

3．1．1 水热处理

3．1．2 复配碱液处理

3．1．3 水热-微波处理

3．1．4 最大顺纹压缩率测试

3．1．5 单维和多维弯曲曲率半径测试

3．1．6 木材纤维相对结晶度测试

3．1．7 木材表面性质的FTIR测试

3．1．8 木材化学组分测试

3．2 结果和讨论

3．2．1 水热处理

3．2．2 复配碱液处理

3．2．3 水热-微波处理

3．2．4 木材软化机理

3．3 小结

4 木材顺纹压缩

4．1 试验和测试方法

4．1．1 木材力学指标测试

4．1．2 木材密度测试

4．1．3 木材微观构造观察

4．1．4 木材顺纹压缩率和PDR测试

4．2 结果与讨论

4．2．1 木材顺纹压缩应力-应变关系

4．2．2 木材顺纹压缩应力-应变本构关系建立

4．2．3 木材顺纹压缩率和PDR变化

4．2．4 木材顺纹压缩前后密度变化

4．2．5 木材顾纹压缩前后微观构造变化

4．2．6 木材顺纹压缩机理

4．3 小结

5 木材多维弯曲

5．1 试验和测试方法

5．1．1 木材力学指标测试

5．1．2 木材微观构造观察

5．1．3 木材弯曲曲率半径测试

5．2 结果和讨论

5．2．1 木材弯曲曲率半径变化规律

5．2．2 木材弯曲力学分析

5．2．3 木材单维弯曲应力-应变本构关系建立

5．2．4 木材弯曲后微观构造变化

5．2．5 木材弯曲机理研究

5．3 小结

6 木材多维弯曲热定型

6．1 试验和测试方法

6．1．1 直接干燥定型

6．1．2 水热-干燥定型

6．1．3 微波-干燥定型

6．1．4 定型结果的快速测试

6．1．5 弯曲木材含水率变化测试

6．1．6 微波定型处理的木材温度测试

6．2 结果和讨论

6．2．1 榆木木材多维弯曲热定型分析

6．2．2 水曲柳木材多维弯曲热定型分析

6．2．3 木材多维弯曲定型机理

6．3 小结

结论与讨论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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