温湿度场中木材正交异向黏弹性体系表征与模型构建

Wood viscoelasticity, which definitively depends on anisotropic structure, temperature-humidity environments and load types, plays an important role in wood utilization and manufacture processes. Therefore, investigating and further clarifying the hydro-thermal coupling mechanisms of wood orthotropic viscoelasticity is of great importance to deeply understand wood properties and utilize wood in an efficient and reasonable way. However, until now, the researches on wood viscoelastic properties are mainly based on the experiments with single factor or steady state, the systematic investigations combining the material factors (grain orientation and moisture content) with environmental factors (temperature-humidity fields and stress fields) are seldom involved. Based on the formerly accumulated research work, the Chinese fir（Cunninghamia lanceolata）plantation wood will be selected as materials in this project. By means of the utilization of dynamic mechanical analysis technique (DMA), digital image correlation method (DIC), cell wall components-structure analysis, etc., this project will systematically characterize the wood orthotropic viscoelastic property, reveal the hydro-thermal effects on the components and structures of wood cell wall, and then give a further explanation for the mechanism of wood viscoelastic behavior response to both heat and moisture content. Finally, the viscoelasticity constitutive model will be derived. The outputs of this project will enrich and improve the theory of wood rheology, provide scientific bases for simulating and forecasting the deformation and fracture behaviors of wood under complex circumstances, and also give theoretical guidance for the improvement and optimization of wood hydro-thermal treatment technology.

黏弹性是影响木材加工和利用的关键特性，木材构造各向异性以及所处温湿度场和应力场条件对其黏弹行为具有决定性作用。因此，研究并阐明木材正交异向黏弹性的湿热效应机制，对深入认识木材性质、合理并高效利用木材具有重要价值。然而，目前对木材黏弹性的理解和认识绝大多数是基于单因素/稳态试验条件得出的，鲜有将材料内因（纹理方向、含水率）和环境外因（温湿度、载荷特性）相结合开展系统研究。本项目以人工林杉木为材料，集成应用动态力学分析技术（DMA）、数字图像散斑相关技术（DIC）以及细胞壁组分和结构分析等方法，在系统表征木材正交异向黏弹性的基础上，揭示湿热耦合作用对细胞壁组分和结构的影响规律，从分子水平上阐明木材黏弹性的湿热效应机制，并建立黏弹性本构模型。研究成果可丰富和完善木材流变学的基础理论，为模拟和预测木材在复杂环境中发生的变形与破坏行为规律提供科学依据，对优化木材湿热处理技术具有重要的理论指导意义。

本项目以人工林杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook)为研究对象，从木材线性黏弹性区域的临界应变值入手，阐明了木材线性黏弹区域的临界应变值随温度升高呈现减小的变化趋势；揭示了吸着水分子的存在增加木材细胞壁化学成分之间的黏着力，木质素发生湿热软化可以引起线性黏弹区域变窄的规律。利用数字图像散斑相关技术与力学试验机相结合的方法，建立了基于平衡含水率、温度、载荷类型和形变模式的12组独立黏弹性参数的正交异向黏弹性应变方程组。根据含水率平衡态下木材正交异向黏弹性能温度谱和时间谱，揭示了木材黏弹性取决于细胞壁微纤丝取向，阐明了高结晶度的微纤丝在轴向承载时起决定性作用，表现出疏水和高位阻，而富含亲水基团的Matrix在横向承载时起决定性作用，表现出对水分子的敏锐响应及由此引发的壁层滑移；验证了时温等效原理在30~150℃范围内描述木材正交异向蠕变行为是适用的；轴向试样蠕变行为时温等效的构建需通过水平移动因子和垂直移动因子的共同作用，而径向和弦向试样仅使用水平移动因子即可使得时温等效原理适用。通过测定水分吸着与解吸过程中木材正交异向黏弹性能时间谱，揭示了机械吸湿效应在弦向试样中表现更显著；阐明了高温高湿环境中的湿热耦合作用可缩短全干材发生软化的作用时间；构建了普通蠕变和机械吸湿蠕变过程中含水率与Kelvin-Voigt模型参数的关系。通过分别测定早材和晚材的粘弹性能温度谱，揭示了微纤丝角的差异是引起不同生长轮之间早材贮存模量的关键因子，而密度和微纤丝角二者共同影响不同生长轮之间晚材贮存模量的变化。通过以上研究途径，全面、深入、系统地揭示木材正交异向黏弹特性的湿热效应机制，丰富和发展了木材流变学的基础理论，为模拟和预测木材在复杂环境中发生的变形与破坏行为规律提供科学依据，对优化木材湿热处理技术具有重要的理论指导意义。迄今，本项目在国内外核心学术期刊上发表论文16篇，其中SCI收录论文13篇，EI收录论文3篇；发表会议论文7篇；获国家发明专利1件。

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