钩叶藤材的基本性能及增强增韧改性研究

摘要

棕榈藤材是仅次于木材和竹材的重要非木材林产品，具有较高的经济价值。我国藤产业95％以上的原材料依赖进口。近年来，由于主要产藤国家采取严格的限制原藤出口政策，商业用藤原材料严重短缺。同时，藤产品在使用过程中常常因为气候、外力等原因产生脆裂，使得产品的使用寿命缩短。如何解决藤材在使用中的脆裂问题，使其保持良好的韧性，扩大藤产品使用范围，已成为藤加工企业亟待解决的实际问题。 本论文以国产钩叶藤材为研究对象，全面分析了其解剖构造、物理力学性质和化学成分;运用线弹性断裂力学的理论对其断裂韧性的测试方法进行了探索性研究;以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为改性剂，采用加压浸渍的方法对钩叶藤材进行增强改性研究，同时以体视显微镜和扫描电镜为手段，观察改性前后试样的破坏断面，探讨钩叶藤材的断裂破坏机理;通过对改性后钩叶藤材力学性能进行综合评价，探讨其作为藤家具类框架和结构用材的可行性，以期为藤材力学研究提供基础数据，为劣质藤材优化提供切实可行的方案。 论文的主要研究结论如下: (1)钩叶藤材是一种梯度材料，藤芯、藤皮的性质差异大。维管束在藤皮处排列紧密，在藤芯处排列稀疏，只含有一个韧皮部和一个后生木质部导管。维管束大小在径向由外向内增大，分布密度随藤茎高度的增加而增大。基本密度为0.27g/cm3;微纤丝角平均为31.05°，相对结晶度为23.47％。抗弯强度和模量分别为31.05 MPa和1.04 GPa，压缩强度和模量分别为17.87 MPa和831 MPa。综纤维素含量为66.51％～72.96％;木质素含量为16.73％～22.03％。 (2)从藤芯处预制的裂纹能用应力强度因子K准则判断，试验测得其名义断裂韧性值为0.476 MPa·m1/2;从藤皮处预制的裂纹需用能量释放率G准则进行判断，试验测得其名义断裂韧性值为0.263 MPa·m1/2。 (3)含水率对从藤芯处预制裂纹试样的断裂韧性有显著影响，气干状态下的断裂韧性显著高于绝干和饱水状态的断裂韧性，气干状态下的断裂韧性为0.476 MPa·m1/2，饱水状态下的断裂韧性为0.189 MPa·m1/2，绝干状态下的断裂韧性为0.154 MPa·m1/2。 (4) MMA和GMA对钩叶藤材的改性效果明显。通过力学性能的综合评价获得的最佳改性工艺为浸渍液浓度100％MMA，浸渍压力常压，固化温度60℃，浸渍时间4h。改性后抗弯模量增加了127％，抗弯强度增加了200％;压缩模量增加了146％，压缩强度增加了119％;断裂韧性增加了231％。 (5)钩叶藤素材三点弯曲断裂过程中裂纹沿预制裂纹面扩展，在薄壁组织中较平整的横向扩展，遇纤维鞘阻隔后发生偏转，总体呈阶梯型断裂;改性剂的添加改变了钩叶藤材的破坏路径，改性材中裂纹沿着预制裂纹方向扩展，总体呈一字型断裂。断裂韧性与维管束分布密度呈线性正相关。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 棕榈藤材的基本性质研究

1．2．2 生物质材料断裂韧性研究

1．3 研究的目的与意义

1．4 研究的主要内容及创新点

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 创新点

1．5 技术路线

1．6 项目支持及经费来源

第二章 钩叶藤材的解剖特征

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验方法

2．3 结果与分析

2．3．1 维管束的形态参数及分布密度

2．3．2 纤维形态及变异

2．3．3 基本薄壁组织的大小及变异

2．3．4 微纤丝角的测量及变异

2．4 本章小结

第三章 钩叶藤材的基本材性

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 物理性质

3．3．2 力学性质

3．3．3 化学性质

3．4 钩叶藤材性与商业用藤材材性的对比

3．5 本章小结

第四章 钩叶藤材的断裂韧性

4．1 引言

4．2 线弹性断裂力学原理

4．2．1 能量释放率断裂理论

4．2．2 应力强度因子K

4．2．3 裂纹尖端塑性区修正

4．2．4 材料的平面断裂韧性

4．3 钩叶藤材的断裂韧性测试原理及方法

4．3．1 断裂韧性测试原理

4．3．2 测试应力强度因子的基本方法

4．4 钩叶藤材SEB试件的名义断裂韧性

4．4．1 从藤芯处预制裂纹的名义断裂韧性

4．4．2 从藤皮处预制裂纹的名义断裂韧性

4．4．3 从藤芯处预制裂纹试件的破坏过程观察

4．5 不同厚度下的SEB试件的名义断裂韧性

4．5．1 试件制作

4．5．2 厚度对断裂韧性的影响

4．5．3 结果与分析

4．6 含水率对断裂韧性的影响

4．6．1 试件制作

4．6．2 结果与分析

4．7 本章小结

第五章 钩叶藤材改性后的断裂韧性

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验方法

5．3 改性后钩叶藤材的力学性能

5．3．1 弯曲性能

5．3．2 压缩性能

5．4 改性后钩叶藤材的断裂韧性

5．4．1 改性后钩叶藤材的断裂韧性

5．4．2 断裂韧性正交实验结果分析

5．5 综合评定最佳工艺

5．6 改性材的破坏过程观察

5．6．1 三点弯曲加载方式下钩叶藤改性材破坏过程的观察

5．6．2 不同维管束含量的钩叶藤材裂纹破坏过程观察

5．6．3 素材和改性材的对比

5．7 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

在读期间的学术研究

导师简介

致谢