（木材科学与技术专业论文）木质复合材料的动态特性研究.pdf

摘要 为了考察木质复合材料的动态特性，本论文利用纵波传播法、纵向共振法、 弯曲振动法、表面波传播法等振动法对木材一塑料复合材( w p ) 、木材纤维板 复合材( w f ) 、木材一金属( 铝) 复合材( w m ) 、木塑复合层压板( w p p w ) 、单 板贴面刨花板复合材( v o p ) 、单板贴面中密度纤维扳复合材( v o m ) 等木质复合 材料的传声速度、动态弹性模量以及剪切模量等进行了综合研究。 在木一塑( w p ) 、木一纤( w f ) 、木一金( w m ) 等三种木质复合材料的动态 特性研究中，考察了表层单板的纤维倾斜角对三种木质复合材料的传声速度、动 态弹性模量以及剪切模量的影响并分析了原因：分析了木材组分的各向异性对三 种木质复合材料整体性能的影响；构建了三种木质复合材料传声速度、动态弹性 模量和剪切模量等性能的预测模型。在木塑复合层压板( w p p w ) 的动态特性研 究中，考察了聚苯乙烯泡沫厚度对木塑复合层压板的动态弹性模量的影响并分析 了原因；尝试将表面波传播法用于木塑复合层压板动态剪切模量的测试，以探索 如何解决表板纤维倾斜角为4 5 。时木塑复合层压板动态剪切模量无损检测的难题。 在单板贴面刨花板复合材( v o p ) 、单板贴面中密度纤维板复合材( v o m ) 的动态 特性研究中，考察了单板厚度、纤维倾斜角以及表层率对单板贴面刨花板复合材 和单板贴面中密度纤维板复合材的动态弹性模量的影响并分析了原因；构建了单 板贴面刨花板复合材和单板贴面中密度纤维板复合材动态弹性模量的预测模型。 本研究结果归纳如下： ( 1 ) 表层单板的纤维倾斜角对木一塑、木纤、木一金复合材料及木塑复合 层压板等木质复合材料的传声速度和动态弹性模量有显著影响。对于木一塑、木 一纤、木一金复合材料，在0 0 - 9 0 。范围内，传声速度和动态弹性模量随表层单板 的纤维倾斜角的增加而降低。可是，对于木塑复合层压板，当表层单板的纤维倾 斜角从o 。增加到4 5 0 时，传声速度和动态弹性模量降低；而在4 5 0 到9 0 。范围内， 传声速度和动态弹性模量逐渐上升。当表层单板的纤维倾斜角为4 5 0 时，木塑复合 层压板的传声速度和动态弹性模量最小。 ( 2 ) 如果以o 作为衡量传声速度各向异性的指标，则木材单板的v o v 9 0 为5 1 。木塑、木一纤、木一金复合材料的v o b o 分别为4 7 、3 8 、1 5 。木一塑、 木一纤、木一金等木质复合材料的传声速度可以利用h a n k i n s o n 公式根据表层单 板的纤维倾斜角来预测；传声速度与表层单板纤维倾斜角的关系可以用二次抛物 线方程来描述。 ( 3 ) 对于木塑复合层压板( 热压前聚苯乙烯泡沫厚度为1 0 m m ) ，表层单板的 纤维倾斜角为0 0 木塑复合层压板的传声速度大约是纤维倾斜角为4 5 。木塑复合层 压板传声速度的两倍；纤维倾斜角为4 5 。木塑复合层压板的传声速度大约是纤维倾 斜角为9 0 0 木塑复合层压板传声速度的6 0 。 ( 4 ) 如果以e 以9 0 作为衡量动态弹性模量各向异性的指标，则木材单板的 e o e 9 0 为2 5 7 。木一塑、木一纤、木一金复合材料的e 洄9 0 分别为2 4 5 、l 5 8 、2 4 。 木一塑、木一纤、木一金等木质复合材料的动态弹性模量可以应用j e n k i n 公式和 h a n k i n s o n 公式来预测；动态弹性模量与表层单板纤维倾斜角的关系可以用二次抛 物线方程来描述。 ( 5 ) 对于木塑复合层压板，表层单板纤维倾斜角为0 0 木塑复合层压板的动态 弹性模量大约是纤维倾斜角为4 5 。木塑复合层压板动态弹性模量的6 7 倍；表层单 板纤维倾斜角为0 。木塑复合层压板的动态弹性模量大约是纤维倾斜角为9 0 。木塑 复合层压板动态弹性模量的1 6 2 倍。由纵向共振试验和面内弯曲试验测得的木塑 复合层压板动态弹性模量是非常接近的。在本研究范围内，当聚苯乙烯泡沫厚度 为3 0 r a m 时，木塑复合层压板的动态弹性模量最大。 ( 6 ) 表层单板的纤维倾斜角对木一塑、木一纤、木一金等木质复合材料的动 态剪切模量有显著影响。剪切模量随着表层单板的纤维倾斜角的增加而降低。如 果以g o g 9 0 作为衡量动态剪切模量各向异性的指标，则木材单板的g o g 9 0 为3 8 1 。 木一塑、木一纤、木一金复合材料的g o g 9 0 分别为1 5 3 、5 2 、4 0 。木一塑、木一 纤、木一金等木质复合材料的动态剪切模量可以应用h a n k i n s o n 公式来预测。 ( 7 ) 对于表层单板纤维倾斜角为0 。和9 0 。木塑复合层压板，利用面内弯曲试 验和表面波传播试验测得的动态剪切模量是非常接近的。不过，利用表面波传播 试验测得的结果略大于弯曲试验测得的结果。对于表层单板纤维倾斜角为4 5 0 木塑 复合层压板，利用表面波传播试验测得的动态剪切模量与计算值是比较接近的。 不过，利用表面波传播试验测得的结果略小于计算结果。对于木塑复合层压扳， 剪应力分布系数为= 1 0 0 0 1 1 8 9 。 ( 8 ) 单板厚度和纤维倾斜角对单板贴面刨花板复合材( v o p ) 和单板贴面中 密度纤维板复合材( v o m ) 的动态弹性模量有很大影响。当表板纤维倾斜角为0 。 时，随着单板厚度由2 1 m m 增加到3 ，6 m m ，v o p 相对于刨花板其动态弹性模量增 加幅度由1 2 5 达到1 7 9 ；而v o m 相对于中密度纤维板，其动态弹性模量增加 幅度由1 1 0 达到1 4 1 。当表板纤维倾斜角为9 0 。时，随着单板厚度由2 1 m m 增 加到3 6 m m ，v o p 相对于刨花板其动态弹性模量降低幅度由2 3 达到4 1 ；而v o m 相对于中密度纤维板，其动态弹性模量降低幅度由2 5 达到4 2 。表板纤维倾斜 角为9 0 0 的v o p ，其动态弹性模量约为表板纤维倾斜角为o 。的v o p 动态弹性模量 的2 1 3 4 ；而表板纤维倾斜角为9 0 。的v o m ，其动态弹性模量约为表板纤维倾 斜角为0 0 的v o m 动态弹性模量的2 4 3 6 。 ( 9 ) 单板贴面刨花板复合材和单板贴面中密度纤维板复合材动态弹性模量与 单板厚度的关系可以用二次抛物线方程来描述。 ( 1 0 ) 利用复合法则可以由木材单板组分和另外一种组分的动态弹性模量来 预测木一塑、木一纤、木一金复合材料及单板贴面刨花板、单板贴面中密度纤维 板等木质复合材料的动态弹性模量。 关键词：木质复合材料，振动法，传声速度，动态弹性模量，动态剪切模量 a b s t r a c t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fw o o d - b a s e dc o m p o s i t e s ，s o u n d v e l o c i t i e s ，d y n a m i cy o u n g sm o d u l ia n dd y n a m i cs h e a rm o d u l io fw o o d p l a s t i c ( w p ) ， w o o d f i b e r b o a r d ( w f ) ，w o o d m e t a l ( w m ) c o m p o s i t e ，w o o dp l a s t i cp l y w o o d ( w p p w ) ， v e n e e r - o v e r l a i dp a r t i c l e b o a r d ( v o p ) a n dv e n e e r - o v e r l a i dm d f ( v o m ) w e r em e a s u r e d b yl o n g i t u d i n a lt r a n s m i s s i o n ，l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n ，f l e x u r a lv i b r a t i o n ，s u r f a c ew a v e p r o p a g a t i o nt e s t f o rw p ，w fa n dw m ，t h ee f f e c t so fg r a i na n g l e so ff a c ev e n e e ro ns o u n d v e l o c i t i e s ，d y n a m i cy o u n g sm o d u l i ，a n ds h e a rm o d u l iw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t s o fw o o de l e m e n to n p r o p e r t i e s o fw o o d b a s e d c o m p o s i t e s w e r e a n a l y z e d t h e p o s s i b i l i t y t h a ts o u n d v e l o c i t i e s ，d y n a m i cy o u n g s m o d u l ia n ds h e a rm o d u l io f w o o d b a s e dc o m p o s i t e sc a nb ep r e d i c t e db ym e a n so fs o m e e m p i r i c a lf o r m u l aw a s a l s o d i s c u s s e d f o rw p p 、t h ee f f e c to ft h i c k n e s so fs t y r o f o a mo nt h ed y n a m i cy o u n g s m o d u l u so fw p p ww a si n v e s t i g a t e d t h es u r f a c ew a v ep r o p a g a t i o nm e t h o dw a s p r o p o s e dt om e a s u r et h ed y n a m i cs h e a rm o d u l io fw p p w t os o l v et h ep r o b l e mf o r m e a s u r e m e n to fd y n a m i cs h e a rm o d u l io fw p p wa t 4 5 。g r a i na n g l e f o rv o p a n d v o m ，t h ee f f e c t so fv e n e e rt h i c k n e s s ，g r a i na n g l ea n ds h e l l i n gr a t i o o nd y n a m i c y o u n g sm o d u l iw e r ei n v e s t i g a t e d t h ep o s s i b i l i t yt h a td y n a m i cy o u n g sm o d u l io f v e n e e r - o v e r l a i dw o o d - b a s e dp a n e l sc a l lb ep r e d i c t e db ym e a n so fe m p i r i c a lf o r m u l a w a sa l s od i s c u s s e d t h er e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o - l l o w s ： ( 1 ) g r a i na n g l e so ff a c ev e n e e rh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so ns o u n dv e l o c i t i e sa n d d y n a m i cy o u n g sm o d u l io fw p ，w f ，w ma n dw p p w f o rw p ，w fa n dw m ，i nt h e r a n g eo fo o - 9 0 0 t h es o u n dv e l o c i t i e s a n dd y n a m i cy o u n g sm o d u l id e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt h eg r a i na n g l e s h o w e v e r ，f o rw p p w ，t h es o u n dv e l o c i t i e sa n dd y n a m i c y o u n g sm o d u l id e c r e a s e dw i t hi n c r e a s e so fg r a i na n g l e sf r o m0 。t o4 5 。o nt h eo t h e r h a n d ，t h es o u n dv e l o c i t i e sa n dd y n a m i cy o u n g sm o d u l ii n c r e a s e dw i t hi n c r e a s e so f g r a i na n g l e sf r o m4 5 。t o9 0 0 t h em i n i m u mv a l u e so fs o u n dv e l o c i t ya n dd y n a m i c y o u n g sm o d u l u s w e r ef o u n da tt h eg r a i na n g l eo f4 5 。 ( 2 ) w h e n t h eo r t h o t r o p i cp r o p e r t i e so fw o o da n dw o o d b a s e dc o m p o s i t e sw e r e c o n s i d e r e da st h ev a l u e so fv 0 v 9 0 ，t h e yw e r e5 1f o rw o o da n d4 7 ，3 8 ，1 5f o rw p ，w f i a n dw m r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a i na n g l eo ff a c ev e n e e ra n ds o u n d v e l o c i t y o ft h r e et y p e so fw o o d b a s e dc o m p o s i t e sc a nb ee x p r e s s e di nt h ef o r mo f h a n k i n s o n se q u a t i o no ras e c o n do r d e rp a r a b o l i ce q u a t i o n ( 3 ) f o rw p p w ( t h et h i c k n e s so fs t y r o f o a mw a s10 m mb e f o r eh o tp r e s s i n g ) ， s o u n dv e l o c i t yo fw p p wa tt h e0 。g r a i na n g l eo ff a c ev e n e e rw a sa p p r o x i m a t e l yt w o t i m e sa sm u c ha st h a to fw p p wa tt h e4 5 0g r a i na n g l eo ff a c ev e n e e r o nt h eo t h e r h a n d s o u n d v e l o c i t y o fw p p wa tt h e 4 5 。g r a i na n g l e o ff a c ev e n e e rw a s a p p r o x i m a t e l y6 0 o f t h a ta tt h e9 0 。g r a i na n g l e ( 4 ) w h e n t h eo r t h o t r o p i cp r o p e r t i e so fw o o da n dw o o d b a s e dc o m p o s i t e sw e r e c o n s i d e r e da st h ev a l u e so f e o e 9 0 ，t h e yw e r e 2 5 7f o rw o o da n d2 4 5 ，15 8 ，2 4f o rw p ， w fa n dw m r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a i na n g l eo ff a c ev e n e e ra n d y o u n g sm o d u l u so f t h r e et y p e so fw o o d - b a s e dc o m p o s i t e sc o u l db ee x p r e s s e di nt h e f o r mo fj e n k i n se q u a t i o n ，h a n k i n s o n se q u a t i o n ，o ras e c o n do r d e rp a r a b o l i ce q u a t i o n ( 5 ) f o rw p p w ，d y n a m i cy o u n g sm o d u l u sa tt h e0 。g r a i na n g l eo f f a c ev e n e e r w a sa p p r o x i m a t e l y6 7t i m e sa sm u c ha st h a ta tt h e4 5 。g r a i na n g l eo ff a c ev e n e e r ； d y n a m i cy o u n g sm o d u l u sa t t h e0 。g r a i na n g l eo ff a c ev e n e e rw e r ea p p r o x i m a t e l y 1 6 - 2t i m e sa sm u c ha st h a ta tt h e9 0 。g r a i na n g l e t h er e s u l t so fd y n a m i cy o u n g s m o d u l im e a s u r e db y l o n g i t u d i n a l v i b r a t i o nm e t h o da n di n p l a n ef l e x u r a lv i b r a t i o n m e t h o dw e r ea l m o s tt h es a m e t h ed y n a m i cy o u n g sm o d u l u sr e a c h e dt h el a r g e s tv a l u e w h e nt h et h i c k n e s so f s t y r o f o a mw a s 3 0 m mi nt h i ss t u d y ( 6 ) g r a i na n g l e so ff a c ev e n e e rh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nd y n a m i cs h e a rm o d u l i o ft h r e et y p e so fw o o d - b a s e dc o m p o s i t e s t h ed y n a m i cs h e a rm o d u l id e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt h eg r a i na n g l e s w h e n t h eo r t h o t r o p i cp r o p e r t i e so fw o o da n dw o o d b a s e d c o m p o s i t e sw e r ec o n s i d e r e d a st h ev a l u e so f g o g 9 0 ，t h e yw e r e3 8 1f o rw o o da n d1 5 3 ， 5 2 4 0f o rw p , w fa n dw m r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a i na n g l eo f f a c ev e n e e ra n ds h e a rm o d u l u so ft h r e et y p e so fw o o d b a s e dc o m p o s i t e sc o u l db e r e p r e s e n t e db y t h ef o r mo fh a n k i n s o n se q u a t i o n ( 7 ) d y n a m i cs h e a rm o d u l iw e r em e a s u r e db yi n p l a n es u r f a c ew a v ep r o p a g a t i o n t e s ta n di n p l a n ef l e x u r a lv i b r a t i o nm e t h o d t h ed y n a m i cs h e a rm o d u l io f0 0a n d9 0 。 b yt w om e t h o d sw e r er e l a t i v e l yc l o s e t h er e s u l t sf r o mt h es u r f a c ew a v ep r o p a g a t i o n t e s tw e r eg r e a t e rt h a nt h o s ef r o mf l e x u r a lv i b r a t i o nm e t h o d d y n a m i cs h e a rm o d u l io f 4 5 。g r a i na n g l em e a s u r e db yi n p l a n es u r f a c ew a v ep r o p a g a t i o n t e s ta n dc a l c u l a t e db y 2 t h e o r ye q u a t i o nw e r er e l a t i v e l yc l o s e t h er e s u l t sf r o mt h es u r f a c ew a v ep r o p a g a t i o n t e s tw e r es m a l l e rt h a nt h o s ec a l c u l a t e d b yt h e o r ye q u a t i o n t h e s h e a rs t r e s s d i s t r i b u t i o nf a c t o r sw e r ea b o u t1 0 0 0 一1 18 9f o rw p p w ( 8 ) t h i c k n e s sa n dg r a i na n g l eo f f a c ev e n e e rh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nd y n a m i c y o u n g sm o d u l u so fv e n e e r - o v e r l m dw o o d b a s e dp a n e l s w h e nt h eg r a i nd i r e c t i o no f f a c ev e n e e rw a s p a r a l l e lt ot h el e n g t ho f t h es p e c i m e n s ，t h ed y n a m i cy o u n g sm o d u l u s o fv o p ( v o m ) i n c r e a s e df r o m1 2 5 t o17 9 ( 1 1 0 t o1 4 1 ) o v e rt h a to ft h e p a r t i c l e b o a r d ( m d f ) w h i l e v e n e e rt h i c k n e s sf r o m2 1 m mu pt o3 6 m m h o w e v e lw h e n t h eg r a i nd i r e c t i o no ff a c ev e n e e rw a sp e r p e n d i c u l a rt ot h el e n g t ho f t h es p e c i m e n s ，t h e d y n a m i cy o u n g sm o d u l u so fv o p ( v o m ) d e c r e a s e d f r o m2 3 t o4 1 ( 2 5 t o4 2 ) o v e rt h a to ft h ep a r t i c l e b o a r d ( m d f ) w h i l ev e n e e rt h i c k n e s sf r o m2 im m u pt o3 6 m m d y n a m i cy o u n g sm o d u l u so fv o p ( v o m ) a t t h e9 0 。g r a i na n g l eo ff a c ev e n e e rw a s a p p r o x i m a t e l y21 3 4 ( 2 4 - 3 6 ) o f t h a ta tt h e0 。g r a i na n g l e ( 9 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd y n a m i cy o u n g sm o d u l u sa n df a c ev e n e e r t h i c k n e s s o fv o p ( v o m ) c o u l db ee x p r e s s e di nt h ef o r mo f as e c o n do r d e r p a r a b o l i ce q u a t i o n ( 1 0 ) r u l eo fm i x t u r ec o u l db eu s e dt op r e d i c tt h ey o u n g sm o d u l io f w o o d b a s e d c o m p o s i t e sf r o m t h ey o u n g sm o d u l io fw o o de l e m e n ta n da n o t h e re l e m e n t k e y w o r d s ：w o o d b a s e dc o m p o s i t e s ，v i b r a t i o n m e t h o d ，s o u n dv e l o c i t y ，d y n a m i c y o u n g sm o d u l u s ，d y n a m i cs h e a r m o d u l u s 3 木质复台材料的动态特性研究 1 绪论 1 1 绪言 1 1 1 木质复合材料概述 ( 1 ) 复合材料的定义及分类 复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l s ) 一词大约出现在二十世纪五十年代，随后， 多位学者对其含义进行了定义。目前一般认为复合材料是指由两种或多种不同材 料以各种形式结合所形成的一种多相固体材料。复合材料既保持了原组成材料的 一些性能，同时通过材料设计，又可使各组分的性能互相补充，彼此关联，产生 复合效应，从而获得新的优越性能。复合材料按使用性能可分为结构复合材料和 功能复合材料；按复合方式分为纤维复合材料、粒子复合材料、聚合物复合材料、 夹层复合材料和骨架复合材料；按基体材料可分为金属基复合材料、陶瓷基复合 材料、树脂基复合材料、碳基复合材料、水泥混凝土基复合材料、木材基复合材 料等( 沃丁柱，2 0 0 0 ：郑昌琼，2 0 0 2 ) 。 ( 2 ) 复合材料的特点 与传统材料相比，复合材料有以下特点： 1 ) 可设计性：复合材料与传统材料相比的显著特点是它具有可设计性。通过 组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，可最大限度地达到预期目 的，以满足工程设计的使用性能。 2 ) 材料与结构的同一性：复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说是材料 倒不如说是结构更为恰当。传统材料的构件成型是经过对材料再加工，在加工过 程中材料不发生组分和化学的变化，而复合材料构件与材料是同时形成的，它由 组成复合材料的组分材料在复合成复合材料的同时也就形成了构件，一般不再由 “复合材料”加工成复合材料构件。由于复合材料这一特点，使之结构的完整性 好，可大幅度地减少零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高 构件的可靠性。 东北林业大学博士学位论文 3 ) 发挥复合效应的优越性：复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的， 但它并不是几种材料简单的混合，而是按复合效应形成新的性能，这种复合效应 是复合材料仅有的。复合后的材料特性优于组成该复合材料的各单一材料之特性。 4 ) 材料性能对复合工艺的依赖性：复合材料结构在形成的过程中有组分材料 的物理和化学变化，过程非常复杂，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工 艺过程等依赖较大，同时也由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以一 般来说复合材料构件的性能分散性也是比较大的( 沃丁柱，2 0 0 0 ) 。 ( 3 ) 木质复合材料的含义 从广义上讲，在木材工业中，那些采用传统胶合工艺制成的木制产品如中密 度纤维板、刨花板、胶合板等都可看作是复合材料，当然也可称为木质复合材料， 甚至可以说木材就是一种完美的复合材料。但是，为了与上述有所区别，目前学 术界一般认为木质复合材料是指由木质材料与其它一种或多种非木质材料复合而 成的多相固体材料( 王正，1 9 9 4 ；张双保、杨小军，2 0 0 1 ) 。 ( 4 ) 木质复合材料的发展前景 木材是人类历史上应用最早的材料之一，在人类的发展过程中发挥了重要作 用。由于木材具有质轻而强重比大、可生物降解、舒适的视觉和触觉效果、隔音、 隔热等优点，在现代社会中，它仍然是材料世界中的主要成员。在钢材、木材、 塑料、水泥这四大工程材料中，木材是唯一的可再生材料。只要实现了森林资源 的可持续发展，木材资源就会取之不尽，用之不竭。然而，遗传结构在赋予木材 众多优点的同时也不可避免地带给木材固有的缺陷。木质复合材料正是通过利用 木材与其它材料的复合效果，一方面尽量保持着木材的特性，另一方面又进一步 改善木材的应用性能，以提高木材的利用率，扩大木材的使用范围，延长木材的 使用寿命，来满足社会生产和人类生活的需要。 从过去的经验来看，木质复合材料不是盲目、孤立发展的，而是与其它材料 协调发展的，是整个材料科学发展的结果。材料科学的发展促进了木质材料科学 的发展，现代复合材料科学的进步推动了木质复合材料科学的进步。复合材料是 材料科学的发展方向，同样，木质复合材料也将是木质材料的发展方向。有专家 预测，木质复合材料将是2 l 世纪人类普遍关注、不断创新和发展的主题之一( 张 双保、杨小军，2 0 0 1 ；李坚，1 9 9 5 ) 。 2 木质复合材料的动态特性研究 1 1 2 木质材料的动态特性与无损检测概述 木质材料是生物质材料中的一种，拥有许多独特的性能，广泛应用于建筑、 家具、乐器、车辆、船舶、医疗器械等各个行业。关于木质材料的动态特性，主 要可分为以下两个研究领域：一是住宅的隔音性及乐器的音响特性；二是利用动 态特性来预测木质材料物理力学性能的无损检测。 无损检测是一门以不破坏被检测对象的性质和使用效果为前提，对材料进行 有效的检验和测试，借以评价材料的完整性( 缺陷分析) 或其它( 物理力学) 特 性的综合性应用科学技术。木质材料物理力学性能无损检测技术是建立在多学科 的高级技术基础上的，是无损检测技术的巨大发展，标志着无损检测技术已由定 性检测缺陷进入定量检测物理力学性能的新阶段。由于木质材料用途非常广泛， 为了正确地使用它，需要了解它的内部材质情况。传统的做法是将木质材料破坏 再检测，这种以破坏材料方式来获取材质指标的做法，称为破坏性检测，虽然这种 方式测得的结果准确，但经过破坏测试后的试件通常已不再具有实用价值，造成 很大浪费，并且由于无法对所有产品进行百分之百的检测，因此也无法保证木质 材料的材质万无一失。另外，这种检测方法耗时较长，条件苛刻，不适于生产线 上的连续快速检测。在这种情况下，在借鉴其他材料科学领域研究成果的基础上， 开始应用一门新兴的综合性科学技术一一无损检测。所谓无损检测( 又称非破坏 检测) ，是在不破坏物质原有材质和形状情况下，对材料的一些特性进行检测。这 种无损检测最大的优点是不会破坏材料的原有特性，而且能在短时间内获得结果， 以便使工作人员进行材质判断，有利于生产的连续性和生产效率的提高。有时可 能会在不严重影响制品主要功能的前提下，需要稍微破坏制品原有材质或形状来 进行材质判定的工作，这种需要部分破坏的做法，称为部分破坏检测，但是为了 有利于分辨，通常将这种部分破坏检测也广义称之为非破坏检测( 日本非破壤梭 查协会，1 9 5 7 ) 。对木质材料进行无损检测，将促进木质材料的传统测试方法发生 根本的变革，使木质材料的质量控制和管理达到一个新的水平。通过对木质材料 无损检测的研究，并进一步将其应用于实际中，可以节约原材料，保证产品安全 可靠。无损检测是实现质量控制，提高劳动生产率，向全自动化方向发展的重要 手段。 东北林业大学博士学位论文 1 1 3 木质材料动态特性与无损检测研究的进展与展望 ( 1 ) 国外研究进展 关于动态特性的研究，国外起步得比较早。早在1 7 世纪末，b e r n o u l l i 就解析 了梁的弯曲。1 8 世纪初，e u l e r 推导出梁的弹性曲线方程以及弯曲振动方程，从而 形成b e r n o u l l i e u l e r 梁理论。1 9 2 1 年，t i m o s h e n k o 提出了考虑剪切力和回转惯性 力影响的振动方程。1 9 3 1 年，g o e n s 推导出两端自由条件下，考虑剪切力和回转 惯性力的梁的振动方程的解。1 9 5 1 年，m i n d l i n 将t i m o s h e n k o 理论加以扩展。关 于板的振动在l e i s s a ( 1 9 6 9 ) 的论文中有详细的论述。h e a r m o n ( 1 9 4 8 ，1 9 6 1 ) 整 理已有的木材弹性模量测定方法，进行了板振动实验。另外，h e a r m o n ( 1 9 5 8 ) 根 据t i m o s h e n k o 理论，讨论了梁的振动实验用于木材的合理性。 1 9 6 1 年，日本京都大学农学部橇田茂、山田正、铃木正治研究了动态弹性模 量和含水率之间的关系，实验结果表明，在含水率4 5 左右，纤维方向的动态 弹性模量值最大，但半径方向的动态弹性模量不是晟大值。九州大学农学部松本 晶( 1 9 6 1 ) 采用振动法研究了正常木材与针叶材应力木( 应压木) 的动态弹性模 量和振动衰减率。实验结果表明，正常材的动态弹性模量大于应压木的动态弹性 模量，而对数衰减率小于应压木；对于正常材，动态弹性模量与密度成正比例关 系，而应压木的动态弹性模量与密度成反比例关系。s u z u k i ( 1 9 6 1 ) 研究了吸湿 和温度对动态弹性模量和对数衰减率的影响。1 9 6 5 年。京都大学农学部铃木正治、 中户莞二、相川久太郎研究了木材的动态弹性模量的频率依存性以及与蠕变的关 系。 从上面的介绍可以看出，虽然人们对动态特性的研究从很早就开始了，但是利 用动态特性对木材进行无损检测是近半个世纪才发展起来的。最初，人们是借鉴 力学方面的研究成果，根据经典理论，试验其应用于木材的合理性，然后逐渐展 开研究。通过以上论述，我们可以得出以下几条结论： 1 动态弹性模量与木材的密度、含水率、纤维方向有关： 2 吸湿和温度对动态弹性模量有一定影响； 3 动态弹性模量与频率有一定依存性； 4 早期的实验设备很简陋，仅仅是借助伏特表指针的偏转来反映振幅的变化， 以搜寻共振频率，因此精度较低。 自七十年代以后，随着科学技术的进步，木质材料动态特性的研究也取得了 4 本质复合材料的动态特性研究 很大的进展。1 9 7 5 年，日本高知大学农学部中山义雄利用振动法对木材梁进行无 损检测。岐阜大学工学部片冈明雄、小野晃明( 1 9 7 5 ，1 9 7 6 ) 研究了实验条件与 木材振动和动态性能测定值之间的关系。p e l l e r i n 和l o g a n 研究设计制造了木材 横向振动弹性模量计算机( t r a n s v e r s ev i b r a t i o ne c o m p u t e r ) ，简称e 一计算机， 并于1 9 7 7 年取得美国专利。e 一计算机已为美国木材生产及科研单位广泛采用。在 测试开始时，由计算机键盘输入被测材料的断面尺寸和测试支点间的距离。当一 个外力使成材产生横向振动之后，e 一计算机通过传感器测取被测材料的自由振动 频率和自由振动的减幅率、被测材料的重量。计算机进行数据处理，用数字显示 被测成材的弹性模量。由e 一计算机测定的弹性模量与静弯曲测得的弹性模量非常 接近，它们的相关系数为0 9 6 0 9 9 ( 美国专利，1 9 7 7 ) 。1 9 7 8 年，p a s c h a l i s 用共 振法和超声波法确定了木材的强度特性与其结构特点的关系，他认为：随着晚材 率和密度增加，湿润松林中的松木e b 干燥松林中的松木强度增加快：强度增加最 慢的是接近地下水的松木林中的松木。湿润松林中的松木，其强度、晚材率和密 度均比干燥的和接近地下水的松林中的松木要大。在测定弹性模量时，共振法和 超声波法具有同等价值。 1 9 8 0 年，日本学者铃木正治研究了随着水分变化动态弹性模量的降低值与密 度之间的关系。研究发现，当含水率由5 增加到3 5 时，动态弹性模量大幅降低， 而损耗角正切增加，无论是纵向、径向还是弦向，从全干到饱和状态弹性模量的 降低值，都与气干密度有关。气干密度越大的树种，降低幅度越大。另外，径向 的动态弹性模量降低值大于弦向的动态弹性模量降低值。外崎真理雄、冈野健、 浅野猪久夫( 1 9 8 3 ) ，以及祖父江信夫、中野晴之、浅野猪久夫( 1 9 8 4 ) 利用振动 法讨论了乐器用材的振动特性( 动态杨氏模量和损耗角正切) 。中尾哲也、冈野健、 浅野猪久夫( 1 9 8 4 ) 利用木材梁的弯曲振动试验对复数泊松比的测定方法进行了 研究。1 9 8 5 年，n a k a o ，o k a n o 和a s a n o 根据高次扭转振动特性对木材的正交各向 异性剪切模量的测定方法进行了研究。1 9 8 6 年，s o b u e 利用木材打击音的f f t 分 析技术( f f t 是快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 的缩写，f f t 分析是一种 利用电子计算机技术对信号的频谱进行快速分析的方法) 研究了弹性模量的瞬间 测定方法。铃木直之( 1 9 8 6 ) 利用扭转振动特性研究了木材胶合层的剪切强度的 测定方法。n a k a o 和k i m u r a ( 1 9 8 6 ) 研究了纸板的动态杨氏模量的测定方法。中 尾哲也、近藤芳树、太田正光、冈野健( 1 9 8 5 ) 利用先进的电子计算机技术和有 限元法在考虑剪切力影响的条件下，根据转换矩阵法解析了不同厚度的木材梁的 弯曲振动，获得了理想的成果。1 9 8 8 年，s o b u e 针对决定实际构造用木材的弹性 5 ， 东北林业大学博+ 学位论文 模量e 和剪切模量g 的问题进行了研究。用发泡塑料小片弹性支持木材豹中央， 轻轻打击试件一端的角，激发起弯曲一扭转复合振动，由配置在试件另一端两角 的一对微音器( 或加速度传感器) 测出振动，计算处理这两个信号并求出和与差， 即可以从复合信号取出单纯的弯曲振动和扭曲振动的信号。将这些信号输入f f t 分析仪，即可求得瞬时的共振频率数，并同时确定e 和g 。尝试用t i m o s h e n k o 的 简支梁理论间接地推定g 的方法，但是针对实际构造材有节子等缺陷的情况，必 须由扭转振动进行直接测定。 在七、八十年代，木材无损检测技