2025年木材材料科学专业知识考试题(附答案)

2025年木材材料科学专业知识考试题(附答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.木材细胞壁中，决定木材主要力学强度的层次是（）。A.胞间层（ML）B.初生壁（P层）C.次生壁外层（S₁层）D.次生壁中层（S₂层）2.木材纤维素的结晶度通常为（）。A.10%-20%B.30%-40%C.50%-70%D.80%-90%3.木材吸着滞后现象的本质是（）。A.水分在木材中的扩散速率差异B.无定形区羟基与水分子结合能的不可逆性C.木材细胞壁微纤丝的定向排列D.半纤维素的亲水性高于纤维素4.下列木材物理性质中，受木材密度影响最小的是（）。A.顺纹抗压强度B.体积干缩系数C.热导率D.弦向干缩率5.人工林木材与天然林木材相比，最显著的结构差异是（）。A.管孔分布密度B.晚材率C.射线细胞数量D.微纤丝角（MFA）6.木材热解过程中，产生木醋液的主要阶段是（）。A.干燥阶段（<150℃）B.预炭化阶段（150-275℃）C.炭化阶段（275-450℃）D.煅烧阶段（>450℃）7.木塑复合材料（WPC）中，木质纤维与塑料基体的界面结合主要依赖（）。A.化学键合B.机械互锁C.范德华力D.氢键作用8.木材生物矿化改性的核心目的是（）。A.提高木材的尺寸稳定性B.赋予木材磁性或导电性能C.增强木材的耐腐性D.降低木材的吸湿性9.下列木材干燥缺陷中，由表面张应力引发的是（）。A.内裂（蜂窝裂）B.表裂（表面开裂）C.端裂（端面开裂）D.皱缩（溃陷）10.木材介电常数随含水率升高而显著增大的主要原因是（）。A.自由水的离子导电作用B.结合水的偶极子取向极化C.细胞壁物质的电子极化D.木材孔隙中的空气介电常数变化二、填空题（每空1分，共20分）1.木材纤维素的基本结构单元是______，其聚合度（DP）范围约为______。2.木材半纤维素的主要类型包括______（针叶树）和______（阔叶树）。3.木材的干缩湿胀具有显著的方向性，其大小顺序为______>______>______。4.木材的顺纹抗拉强度通常______（大于/小于）顺纹抗压强度，原因是______。5.木材热解的三个主要阶段为______、______和______。6.木材功能性改良中，乙酰化处理的关键反应是______，主要目的是______。7.木材基活性炭的孔隙结构分为______（<2nm）、______（2-50nm）和______（>50nm）。8.评价木材胶接性能的主要指标包括______和______（至少2项）。三、名词解释（每题4分，共20分）1.微纤丝角（MFA）2.木材吸湿滞后3.木塑复合材料（WPC）4.木材生物矿化5.木材介电松弛四、简答题（每题6分，共30分）1.简述木材细胞壁的超微结构及其各层次的主要功能。2.列举影响木材强度的主要因素，并说明密度与强度的关系。3.解释木材干燥过程中“应力-应变”的产生机制，并提出3种控制干燥应力的措施。4.半纤维素在木材加工中具有两面性，分别说明其“有利作用”和“不利影响”。5.简述木材功能性改良的主要技术路径（至少5种），并举例说明其应用场景。五、综合分析题（10分）某人工林杨木（Populustomentosa）的基本参数如下：气干密度0.42g/cm³，微纤丝角25°，晚材率18%，顺纹抗压强度32MPa，径向干缩率3.1%，弦向干缩率6.5%。（1）分析该杨木作为结构用材（如建筑梁材）的可行性，并说明限制因素；（2）提出2种针对性的改性技术（需说明原理），以提升其作为结构用材的性能。六、论述题（20分）结合“双碳”目标（碳达峰、碳中和），论述木材作为“碳汇材料”的科学内涵及其在可持续建筑中的应用路径。参考答案一、单项选择题1.D2.C3.B4.D5.D6.C7.B8.B9.B10.B二、填空题1.葡萄糖基；7000-150002.半乳葡甘露聚糖；4-O-甲基葡糖醛酸木聚糖3.弦向；径向；纵向4.大于；木材顺纹抗拉破坏主要由纤维素分子链断裂引起，而抗压破坏受细胞塌陷影响更大5.干燥阶段；预炭化阶段；炭化阶段6.羟基与乙酸酐的酯化反应；降低木材吸湿性，提高尺寸稳定性7.微孔；介孔；大孔8.胶合强度；木材破坏率（或耐水胶接强度、剪切强度）三、名词解释1.微纤丝角（MFA）：指木材次生壁中层（S₂层）微纤丝与细胞轴之间的夹角，是影响木材力学性能（如弹性模量）和加工性能的关键参数，MFA越小，木材刚性越强。2.木材吸湿滞后：木材从绝干状态吸湿达到平衡含水率时的吸着水量，小于从湿材解吸达到同一平衡含水率时的解吸水量的现象，本质是无定形区羟基与水分子结合的不可逆性。3.木塑复合材料（WPC）：以木质纤维（如木粉、木纤维）为填充相，热塑性塑料（如PE、PP）为基体，通过熔融共混、挤出或模压成型的复合材料，兼具木材的质感和塑料的耐候性。4.木材生物矿化：利用生物或仿生矿化技术，在木材孔隙或细胞壁中沉积无机矿物（如碳酸钙、二氧化硅），赋予木材磁性、导电性或高硬度等功能，是木材功能化改性的新兴方向。5.木材介电松弛：木材在交变电场中，偶极子（如水分子、极性官能团）因取向极化滞后于电场变化的现象，表现为介电损耗，可用于木材含水率、腐朽程度的无损检测。四、简答题1.木材细胞壁超微结构包括胞间层（ML）、初生壁（P层）和次生壁（S₁、S₂、S₃层）。-胞间层：主要成分为果胶，连接相邻细胞，决定木材的横向结合力；-初生壁：较薄，微纤丝随机排列，提供细胞初期支撑；-次生壁：S₁层微纤丝螺旋排列（夹角大），S₂层微纤丝近轴向排列（夹角小），是细胞壁的主体，决定木材主要力学强度；S₃层微纤丝螺旋方向与S₁相反，厚度最小，保护次生壁内层。2.影响木材强度的因素：-内在因素：密度（正相关）、微纤丝角（负相关）、晚材率（正相关）、木材缺陷（如节子、裂纹）；-外在因素：含水率（纤维饱和点以下，强度随含水率升高而降低）、温度（高温降低强度）、加载速率（速率越快，强度越高）。密度与强度的关系：密度是反映木材细胞壁厚薄和细胞数量的综合指标，与绝大多数力学强度（如抗压、抗弯）呈显著正相关（相关系数通常>0.8），是预测木材强度的核心参数。3.干燥应力产生机制：-初期：表层水分蒸发快，含水率低于内层，表层收缩受内层约束，产生表面拉应力（易导致表裂）；-后期：表层达到平衡含水率后不再收缩，内层继续干燥收缩，表层受压应力，内层受拉应力（易导致内裂）。控制措施：-采用梯度干燥工艺（先低湿后高湿），降低表层与内层含水率差；-对厚材进行预处理（如汽蒸软化），提高木材塑性；-控制干燥速率（如硬材干燥速率≤0.5%/h），避免应力集中。4.半纤维素的两面性：-有利作用：无定形结构和亲水性使其在制浆造纸中易被化学试剂渗透，提高得率；在木材胶接中，半纤维素的羟基可与胶黏剂（如脲醛树脂）形成氢键，增强胶接强度。-不利影响：亲水性强，易吸水膨胀，导致木材尺寸不稳定；热稳定性差（热解温度150-300℃），影响木材热加工（如热压成型）的工艺窗口。5.功能性改良技术路径及应用：-化学改性：乙酰化（木材羟基与乙酸酐反应，降低吸湿性，用于户外地板）；-浸渍填充：树脂浸渍（如酚醛树脂填充孔隙，提高硬度，用于耐磨地板）；-纳米复合：TiO₂纳米颗粒负载（光催化降解污染物，用于空气净化建材）；-生物矿化：碳酸钙沉积（提高密度和阻燃性，用于防火装饰材料）；-表面处理：等离子体改性（提高表面能，改善胶接性能，用于木结构建筑节点）。五、综合分析题（1）可行性分析：-优势：杨木密度较低（0.42g/cm³），加工性能好，符合轻质结构材需求；-限制因素：顺纹抗压强度（32MPa）低于结构材标准（通常≥40MPa）；微纤丝角（25°）较大，弹性模量低（MFA每增加1°，弹性模量约降低2%）；干缩率大（弦向6.5%），易发生变形开裂。（2）改性技术及原理：-树脂浸渍强化：采用低分子量酚醛树脂（分子量<500）真空浸渍，树脂渗透至木材细胞腔和细胞壁，固化后填充孔隙并与细胞壁成分形成化学键，可提高抗压强度（增幅30%-50%）和尺寸稳定性（干缩率降低40%）；-微纤丝角调控：通过遗传改良或生长调控（如人工林修枝）降低MFA（目标≤15°），可显著提高弹性模量（MFA每降低1°，弹性模量增加约3%），同时减少干缩各向异性。六、论述题科学内涵：木材是唯一可再生的有机碳基材料，其生长过程通过光合作用固定CO₂（1m³木材约固碳0.8t），且在使用周期内持续储存碳（“碳汇”）；与钢材、混凝土等化石基材料相比，木材生产能耗低（仅为钢材的1/8），碳排放少（每m³木材替代混凝土可减少0.9tCO₂排放），符合“双碳”目标的“减源增汇”需求。应用路径：1.结构材升级：发展CLT（正交胶合木）、Glulam（胶合木梁）等工程木产品，替代传统钢混结构，用于高层木结构建筑（如挪威Mjøstårnet公寓，18层CLT结构）；2.碳封存设计：通过木材防腐（如铜唑处理）、阻燃（如聚磷酸铵浸渍）技术延长木材使用寿命（目标>50年），确保碳长期固定；3.循环利用体系：建立木材废弃-回收-再生利用