麥彤宇， 梁 碩， 王 正*， 馬旭剛， 宋 懿， 張一凡， 黃俁劼

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210037；2.南京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京210037)

1 研究背景

木材是重要的工程材料，天然環(huán)保且具有可再生的性質(zhì)，被廣泛運(yùn)用于建筑、家具、電子機(jī)械、室內(nèi)裝修等行業(yè)。彈性模量是木材特性的基本參數(shù)之一，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于木材彈性模量的測(cè)試主要分為兩種方法：靜態(tài)彎曲法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法。傳統(tǒng)靜態(tài)方法對(duì)木材具有破壞性，并且測(cè)量過(guò)程繁瑣，而動(dòng)態(tài)法操作簡(jiǎn)便，不破壞木材的使用性能，已成為木材彈性模量檢測(cè)的主要方法和研究方向。準(zhǔn)確、高效地測(cè)量出木材的彈性模量對(duì)于提升木材加工工業(yè)水平起著至關(guān)重要的作用。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始對(duì)木材進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究，到了80年代中后期才開(kāi)始用NDT法檢測(cè)木材彈性模量。我國(guó)對(duì)彈性模量的研究起步較晚，還沒(méi)有形成一套完整的體系，但也在逐步發(fā)展。

對(duì)于超聲波法，戴澄月等對(duì)興安落葉松、水曲柳、紅松和紫椴4種干材，采用超聲波脈沖首波等幅法測(cè)定了橫紋方向和順紋方向的超聲波速度，同時(shí)也得到了這兩個(gè)方向的彈性模量，并且他們通過(guò)回歸法分析木材順紋抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度和這兩種參數(shù)之間的聯(lián)系[1]；趙學(xué)增等開(kāi)發(fā)了一種快速檢測(cè)法，它能快速測(cè)定木材的剪切彈性模量和抗彎彈性模量。這種方法是依據(jù)FFT分析技術(shù)、Timoshenko撓性振動(dòng)理論及微機(jī)技術(shù)提出的[2]；李華等采用北京康科瑞公司NM-4A非金屬超聲波檢測(cè)儀，測(cè)定了北京大鐘寺博物館永樂(lè)大鐘大型木結(jié)構(gòu)架的彈性模量，并對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度的變化做出了評(píng)估[3]；超聲波檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)在于，不同的超聲波可以檢驗(yàn)材料的不同性質(zhì)，也可以用于評(píng)價(jià)木材。此方法可以提供直觀大量的信息，直接顯示材料內(nèi)部的情況，可靠性高，但超聲波檢測(cè)器有最小壁厚的限制，若材料厚度小于一定值將無(wú)法檢測(cè)到信號(hào)，對(duì)于測(cè)量某些特定材料將有一定的限制。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)力波法和動(dòng)態(tài)振動(dòng)法測(cè)試成材的彈性模量[4-8]。

關(guān)于應(yīng)力波法，1995年，王志同等研究應(yīng)力波法檢測(cè)中密度纖維板彈性模量，研究結(jié)果表明這種方法不但測(cè)試精度較高，而且可以進(jìn)行自動(dòng)控制。此外，它還能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)[9]。

在振動(dòng)法方面，胡英成等運(yùn)用振動(dòng)法對(duì)兩種不同板材(膠合板和刨花板)的抗彎彈性模量進(jìn)行測(cè)試。他們分別采用縱波共振法、彎曲振動(dòng)法和縱波傳播法對(duì)兩種板材進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)比分析了3種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10-11]。張厚江等為了對(duì)木質(zhì)材料進(jìn)行研究，運(yùn)用振動(dòng)法獲得其彈性模量。結(jié)果表明：要獲得木板的固有頻率值，橫向振動(dòng)方式是一種更為有效的方法。同時(shí)，振動(dòng)法測(cè)得的彈性模量比靜彈性模量值稍大。同年，加拿大國(guó)家林產(chǎn)品研究院和中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所均認(rèn)為橫向振動(dòng)法能預(yù)測(cè)木質(zhì)材料的力學(xué)性能，為此他們共同探討了此方法用于預(yù)測(cè)大尺寸構(gòu)件抗彎彈性的可行性[12]。2006年，池德汝等利用振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)法測(cè)得纖維板的動(dòng)態(tài)彈性模量，并用一元和二元回歸方法分析了纖維板的密度、靜態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)彈性模量、靜曲強(qiáng)度之間的相關(guān)性[13]。

總體上說(shuō)，國(guó)內(nèi)研究所用的方法主要是超聲波法和應(yīng)力波法和橫向振動(dòng)法。應(yīng)力波法測(cè)試的彈性模量值能夠很好地驗(yàn)證橫向振動(dòng)法測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，二者互相結(jié)合操作簡(jiǎn)易，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)對(duì)木材動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)量的研究比國(guó)外少，木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究起步較晚，且研究的對(duì)象幾乎都是力學(xué)檢測(cè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定尺寸的試件，大多是針對(duì)小尺寸試件研究，而對(duì)于市場(chǎng)上流通的大尺寸木材的動(dòng)態(tài)彈性模量很少進(jìn)行相關(guān)的研究。筆者認(rèn)為，國(guó)內(nèi)靜態(tài)測(cè)試技術(shù)以目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可行性較高，隨著科技不斷地發(fā)展，研究進(jìn)展不斷地前進(jìn)，未來(lái)將會(huì)推廣到全部尺寸材料的測(cè)試。

而早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始采用動(dòng)態(tài)方法來(lái)研究木材的動(dòng)態(tài)彈性模量，迄今，國(guó)外關(guān)于木板、鋸材及原木的彈性模量與力學(xué)性能無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究較多，而針對(duì)膠合木構(gòu)件及橋梁、建筑結(jié)構(gòu)等彈模與力學(xué)性能的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究相對(duì)較少。

3 國(guó)外研究進(jìn)展

1961年，日本京都大學(xué)農(nóng)學(xué)部的梶田茂等[14]研究了動(dòng)態(tài)楊氏模量和含水率之間的關(guān)系，他使用反射式光彈性測(cè)定器對(duì)干燥程度不同的木材進(jìn)行彈性方面的測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在含水率為4%～5% 左右時(shí)，纖維方向的動(dòng)態(tài)楊氏模量值最大，半徑方向的動(dòng)態(tài)楊氏模量不是最大值。為了進(jìn)一步探究動(dòng)態(tài)楊氏模量，1965年，京都大學(xué)農(nóng)學(xué)部的鈴木正治等研究了木材的動(dòng)態(tài)楊氏模量的頻率依存性以及與蠕變的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，20世紀(jì)70年代，Pellerin和Logan研發(fā)制造了木材橫向振動(dòng)彈性模量計(jì)算機(jī)，由于其測(cè)量的準(zhǔn)確性而得到了美國(guó)木材企業(yè)及科研單位的廣泛應(yīng)用。彈性模量計(jì)算機(jī)的研發(fā)對(duì)彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)的信號(hào)的采集起到重要作用。1988年，日本農(nóng)學(xué)博士Sobue[15]用發(fā)泡塑料小片彈性支撐木材試件的中央，通過(guò)打擊試件一角來(lái)激發(fā)起彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合振動(dòng)，由放置在試件另一端的一對(duì)微音器檢測(cè)振動(dòng)，計(jì)算機(jī)處理采集到的2個(gè)信號(hào)，并從復(fù)合信號(hào)取出彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)的信號(hào)，將信號(hào)輸入FFT分析儀，即可求得瞬時(shí)的共振頻率值，同時(shí)確定動(dòng)彈性模量E和剪切彈性模量G。

為了測(cè)得木芯的三個(gè)彈性常數(shù)，1984年，法國(guó)國(guó)家木材質(zhì)量研究站的V.Bucur[16]從山毛櫸木材上選取5 mm直徑的木芯，用超聲波簡(jiǎn)單地測(cè)量其彈性常數(shù)，并且將測(cè)試結(jié)果與靜力彎曲和橫向超聲波的標(biāo)準(zhǔn)試件作比較，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性進(jìn)行了評(píng)估。分析證明了木芯與標(biāo)準(zhǔn)試件的彈性常數(shù)有很好的相關(guān)性，可以快速地檢測(cè)活體樹(shù)木個(gè)體特征的差異。

到了20世紀(jì)90年代，NDT技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。日本學(xué)者小玉泰義[17]對(duì)日本柳杉和扁柏原木進(jìn)行了用聲速來(lái)推測(cè)楊氏模量的研究。根據(jù)在一定距離上安裝的2個(gè)加速度傳感器的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差求出彈性波傳播速度。另外，由這些試件的邊材和心材部分鋸制方材，用同樣方法測(cè)定方材彈性波傳播速度并獲得其與靜態(tài)彎曲楊氏模量的相關(guān)性，進(jìn)一步研究了干燥對(duì)音速變化的影響。1991年，日本的祖夫江信夫開(kāi)發(fā)了用微機(jī)和A/D板的彈性模量自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由16位的個(gè)人計(jì)算機(jī)、可裝入微型計(jì)算機(jī)內(nèi)的高速8通道模擬數(shù)學(xué)變換微型組件的A/D轉(zhuǎn)換器、接口內(nèi)置的電子天平、振動(dòng)傳感器和前置放大器組成。實(shí)驗(yàn)方法是打擊試件端面引起縱向共振，用傳聲器和加速度傳感器檢測(cè)振動(dòng)，借助前置放大器將振動(dòng)波形增幅后輸入A/D轉(zhuǎn)換器中，由電子天平稱出試件質(zhì)量，根據(jù)試件尺寸、質(zhì)量、固有頻率，依據(jù)縱向振動(dòng)理論計(jì)算出彈性模量。為了進(jìn)一步研究商業(yè)刨花板的力學(xué)特性，2005年V.Bucur[18]選用超聲波速度法，在正交各向異性的假設(shè)中進(jìn)行了彈性常數(shù)的計(jì)算，使用縱向波和剪切波對(duì)試件9個(gè)方面所有剛度矩陣進(jìn)行了計(jì)算，然后用計(jì)算好的剛度矩陣得出相對(duì)應(yīng)的彈性模量技術(shù)參數(shù)。2006年，美國(guó)H indm an等[19]采用非標(biāo)準(zhǔn)的5點(diǎn)彎曲法測(cè)得的鋸材彈性常數(shù)結(jié)果與使用ASTM D 198測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所得的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果誤差均在10% 以內(nèi)，說(shuō)明5點(diǎn)彎曲法也是一個(gè)能準(zhǔn)確且簡(jiǎn)單測(cè)出木材彈性常數(shù)的方法，其實(shí)驗(yàn)試件是以南方黃松和鵝掌楸為原材料。為進(jìn)一步研究不同樹(shù)種的彈性模量，2013年，美國(guó)坎皮納斯州立大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的Raquel Gon?alves[20]以柳桉，Apuleialeiocarpa和Goupiaglabra三種作為實(shí)驗(yàn)樹(shù)種，將他們分別加工成圓盤(pán)、多面體和棱柱體三種幾何形狀，使用超聲波技術(shù)測(cè)得彈性模量，其結(jié)果與靜態(tài)測(cè)量值相當(dāng)，但是結(jié)果取決于樣品的類型和幾何形狀，即多面體的幾何形狀表現(xiàn)出最佳的結(jié)果，而棱柱形的結(jié)果最不合適。2014年，西班牙馬德里理工大學(xué)的森林工程師José R.Aira等[21]通過(guò)用應(yīng)變計(jì)測(cè)量表面變形的方法，對(duì)20 mm×60 mm×20 mm 棱柱形的歐洲赤松和對(duì)16 mm×16 mm×48 mm 的歐洲赤松的徑向和切向試件進(jìn)行彈性常數(shù)測(cè)試，認(rèn)為這種方法可以測(cè)定彈性模量(縱向和橫向)，但得到的平均值比軟木大。

國(guó)外的研究與國(guó)內(nèi)相比，采用了更加先進(jìn)的分析儀器，并且更加詳細(xì)地對(duì)不同樹(shù)種、不同材料的木材進(jìn)行了研究并得出了合理有效的數(shù)據(jù)結(jié)論。我們應(yīng)該充分學(xué)習(xí)并汲取國(guó)外優(yōu)秀的研究經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)充國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展的不足，希望在未來(lái)的不斷實(shí)驗(yàn)研究中，可以將動(dòng)態(tài)檢測(cè)材料力學(xué)性質(zhì)的精度、準(zhǔn)確度、廣泛推廣度都得到提升，使木材能夠得到更充分高效的利用。

4 結(jié)論與展望

國(guó)內(nèi)木材彈性模量無(wú)損檢測(cè)的研究成果主要有超聲波法、應(yīng)力波法、振動(dòng)法等。國(guó)外的研究成果主要有干燥性對(duì)彈性模量的影響、木芯與標(biāo)準(zhǔn)試件彈性常數(shù)的相關(guān)性的證明、干燥對(duì)音速變化的影響、五點(diǎn)彎曲法測(cè)量彈性模量等。國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)測(cè)試的技術(shù)雖起步較晚，但也取得了一定的進(jìn)展，并一直在不斷進(jìn)步。截至目前國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)測(cè)試彈性模量的可行性，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，動(dòng)態(tài)測(cè)試法不僅操作更簡(jiǎn)單易行，應(yīng)用更靈活廣泛，而且測(cè)試精度與傳統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試法相比并無(wú)差入，測(cè)試精度還較高，并且可以進(jìn)行自動(dòng)控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式，能夠更加精準(zhǔn)且直觀地分析數(shù)據(jù)。隨著動(dòng)態(tài)測(cè)試法的逐步發(fā)展，未來(lái)動(dòng)態(tài)測(cè)試法將會(huì)成為材料力學(xué)性能測(cè)試的主流方法。