顺纹拉伸载荷下杨木多尺度结构的失效破坏特征

摘要

【目的】木材作为具有天然多尺度结构的工程材料，常因受外部载荷作用而发生失效破坏。尽管多尺度结构对木材破坏具有决定性影响，但目前对不同尺度结构的破坏特征及其对失效破坏的影响机制仍缺乏系统性阐释。本研究旨在阐明杨木细胞结构与排列方向在顺纹拉伸载荷下诱发的多尺度失效破坏特征，为木材力学性能评价与工程应用提供理论依据。【方法】以人工林意大利杨为对象，截取轮内不同区域制备拉伸试样。结合SEM、AFM等显微表征手段，系统比较生长轮、细胞及细胞壁3个尺度结构单元的构造特征与力学性质差异，并解析其在顺纹拉伸过程中的破坏路径，揭示杨木多维结构与破坏行为间的内在联系。【结果】（1）生长轮尺度：在顺纹拉伸作用下，结构差异较大的生长轮边界处产生剪切应力，导致生长轮界面或轮界处靠近早材的一侧形成断裂面。（2）细胞尺度：在轴向载荷作用下，杨木轴向细胞主要发生垂直于纹理的细胞横断，形成水平断面或弧形断面；沿径向排列的射线细胞之间发生剥离，裂纹延展至射线末端后会再次转为沿轴向开裂，形成阶梯状断面。破坏断面的差异体现了木材中不同细胞排列方向对裂纹扩展路径的引导作用。（3）细胞壁尺度：杨木细胞壁厚度变化较大的区域易发生跨壁断裂，形成横断破坏；裂纹在细胞壁内扩展时，S₁/S₂界面或S₂/S₃界面层因微观结构差异成为剥离的薄弱环节，反映了细胞壁内部不同层之间结合力的差异，以及在应力作用下的响应特点；裂纹在细胞间沿顺纹方向扩展时，木纤维细胞之间沿CML/S₁界面层发生剥离,形成沿胞间层CML剥离的破坏模式，表明胞间层在顺纹拉伸载荷下结合力相对较弱。【结论】顺纹拉伸载荷作用下，杨木内部构造、细胞形态结构和细胞排列方向的差异显著影响杨木不同尺度的破坏模式。不同尺度上同一单元之间的结构和力学性质差异是影响杨木受外部载荷作用时内部应力分配的主要因素。未来可通过原.位设备实时监测木材在力学载荷下生物大分子结构的微小变化，从分子层面揭示木材的力学响应机制。

关键词

杨木 / 多尺度结构 / 结构差异 / 顺纹拉伸 / 破坏模式 / 细胞壁 / 胞间层(CML)

基金资助

国家重点研发计划课题（2023YFD2200502）