木质材料力学性能无损检测方法的研究现状与趋势

刘 妍，张厚江

(北京林业大学，北京 100083)

木质材料是一类包括木材和以木材 (或其废料)为主要原料，经过机械加工，物理化学处理而得到的具有木材基本特征和主要组分的材料。在现代，木质材料已形成一个品种较多、性能差异较大的材料体系，它包括木材、改性木材、木质人造材料 (胶合板、纤维板、刨花板)和木质复合材料 (木材塑料、木材层积塑料、塑化碎料板)等几大类［1］。

无损检测与传统的测量方式相比，最大特点是不破坏材料的原有特性，而且能在短时间内获得期望的结果。各种无损检测方法的基本原理几乎涉及到现代物理学的各个分支，其测量结果必须与一定数量的破坏检测结果相比较，才能建立可靠的基础并得到合理的评价。目前应用到木材性质检测的无损检测技术已达几十种，利用这些方法可以测定木质材料的密度、含水率、力学性能和内部缺陷，以及古建筑木构件的检测和评估、古树名木的健康状况评价等领域［2］。

对木质材料力学性能的检测主要是为了其应用价值的确定和质量分等，木质材料的力学性能包括弹性模量、静曲强度和内结合强度等。其中弹性模量是代表其力学性能总体情况的有效指标，也是木质材料一种最重要、最具特征的力学性质，是实现木质材料无损检测的重要参数及强度在线实时自动分级的基本依据。与木质材料内部缺陷、密度和含水率等无损检测相比，对其力学性能的无损检测处于相对初级阶段，具有较大的挑战性。

1 木质材料力学性能无损检测方法

(1)振动法。对木材试件施力使其产生振动，通过传感器测得试件的自由振动频率和自由振动的减幅程度及试件质量，根据木材试件的振动特性与弹性模量之间的相关关系，得出试样的弹性模量。

(2)声波法。声波法可分为声发射技术(AE)和超声波技术 (AU)［3］。

声发射法是利用木质材料受外力或内力作用产生变形或断裂时，会以弹性波形式释放出应变能的原理，测定木质材料发射的声波，并依据声波的波形来确定材料内部的裂纹、缺陷、结构变化、破坏先兆等内部动态信息或其物理力学性能。

超声波法是在被测试件厚度与波长相比可以忽略的情况下，沿长度方向向被测物某一端面输入一个超声波，在另一端检测记录传经被测物的超声波波形。由于超声波在物质中传播时会发生衰减现象，其纵波波速c与介质密度ρ、超声弹性模量E的关系为E=ρc2，在测出超声波速度后，计算出木材的弹性模量。根据弹性模量与力学性质的正相关性，可以估算出被测木材的机械强度。

(3)机械应力法。机械应力检测法的基本原理有两类，一类是施加恒定力于被测试材，测定相应的变形;另一类是施加恒定变形于被测试材，测定相应的载荷，然后计算出被测试材的弹性模量和抗弯强度。测试结果与实验室静态测试值相比，其偏差在±2% ～ ±5%以内［2］。

(4)冲击应力波法。应力波检测法为接触类检测，利用撞击在木材或木质构件内部产生的机械波传播，根据木质构件的弹性模量E与应力波速度v和木质材料密度D之间存在关系E=v2D/g，其中g为重力加速度。通过测量应力波传播速度就可确定木质材料的弹性模量，并对静曲强度及内结合强度进行有效的预测。

(5)FFT分析检测。FFT是快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)的缩写，它是一种利用电子计算机技术对信号频谱进行快速分析的方法。其基本原理是通过敲击试样使其产生挠曲振动，并瞬间拾取音响来检测振动，利用FFT进行瞬间频谱分析求出各次共振频率，应用Timoshenko理论根据测得的共振频率及试样的密度和外形尺寸，由计算机计算出被测试样的抗弯弹性模量E和剪切弹性模量G［4］。

(6)射线法。以射线透射木质材料，用射线接收传感器直接测量窄小范围内透射试样前后射线强度的变化，射线衰减率的一般表达式为:I=Ioe－μh，式中:Io为入射前强度，I为入射后强度，h为木材试件厚度，μ为衰减系数。根据射线衰减率以及试样的平均吸收系数推算出木质材料的密度，根据密度与木质材料力学性能之间的关系，推导出木质材料的力学性能。

(7)微波法。微波是波长范围为1 mm～1 m(即频率从300 kHz～300 MHz)的电磁波。当微波经过介质时，其传播速度和波形的衰变等均取决于介质的物理力学性质，利用介质对微波的吸收与介质常数成比例的原理，测定穿透木质材料的电磁波电学性质的变化率来分析材料的力学性质。

2 国内外常用力学性能无损检测方法的研究现状

2.1 超声波法的研究现状

对木材物理力学性质与超声波之间相关关系的研究始于20世纪60年代，美国、英国和日本等国的林业研究人员已对超声波的参数与木材强度、物理性质、超声弹性模量之间的关系进行了研究，取得了一些可喜的成绩。1989年，Greubel应用超声波技术检测了声波在刨花板内的传播，结果发现刨花板的横向抗拉强度与声波传播速度有明显的相关性［5］。1996年Niemz和Poblete研究了刨花板的声传播速度，认为抗弯弹性模量与声传播速度间有密切相关性［6］。

我国林业工作者在1980年开始将超声波技术应用于木材物理力学性质的测定，并得出了木材顺纹抗压弹性模量和抗弯弹性模量与超声波参数之间的关系。李华等在2003年用超声波检测仪对大钟寺博物馆钟架进行了无损检测，测定钟架木材的弹性模量，并与同种木材按国家标准测定的弹性模量对比，对钟架木结构力学强度的变化做出评估［7］。嵇伟兵等以137块大尺寸杉木板材为研究对象，通用超声波测试仪测量板材的动态弹性模量，同时利用木材万能试验机测试其静曲弹性模量，并分析两种试验方法测定结果之间的关系。结果表明不同厚度的试样其静曲弹性模量和动态弹性模量之间均呈线性关系，相关系数在0.75～0.95之间［8］。

2.2 振动法的研究现状

J Ilie研究了55种 (45种阔叶材、10种针叶材)树种，尺寸为20 mm×20 mm×300 mm和20 mm×20 mm×150 mm两种规格木材的纵向动态弹性模量和横向动态弹性模量之间的关系。结果表明，它们之间具有极其显著的相关关系 (R都大于0.96)。利用这一对小尺寸试件的研究结果，可以方便、快速地对立木弹性模量进行预测［9］。美国农业部林产品实验室 (USDA Forest Products Laboratory)多年来对大尺寸结构用木材进行了深入研究，试件采用简支梁支撑方式，利用横向振动原理测定结构用木材的力学性能。

胡英成等在2001年利用弯曲振动试验、纵波传播试验及纵波共振试验，对胶合板和刨花板的抗弯弹性模量进行无损检测，并分析了3种试验方法测定结果之间的关系［10，11］。张厚江等在2005年利用振动法测定木质材料的弹性模量，试验发现横向振动方式可以有效地测得木板试件的固有频率值，测定效果好，而纵向振动方式不能有效测得试件的固有频率值。通过与静态测试结果比较，发现振动方式测得的弹性模量值比静态方式测得的稍大［12］。池德汝等利用横向振动测试手段测量纤维板的动态弹性模量，振动系统所测得的纤维板的弹性模量精度较好。将纤维板的动弹性模量与静弹性模量进行回归分析，得出纤维板的动弹性模量与静弹性模量密切线性相关的结论［13］。

2.3 应力波检测法的研究现状

Ross等在1988年就研究得出木材的弹性模量E与应力波速度v和木材密度ρ有关，三者之间的关系为E=ρv2。他们认为可通过测量应力波传播速度来确定木质材料的弹性模量［14］。Wagner等用应力波技术研究美国花旗松的弹性模量和应力波传播速度关系，用回归分析方法得出应力波纵向速度与动弹性模量的相关系数R2=0.466，而应力波横向速度与动弹性模量的相关系数R2=0.591［15］。Robert J Ross等在2005年对剥皮后的Douglas－fir进行检测，结论是应力波检测的剥皮后木材动态弹性模量可以很好地预测原木的动态、静态弹性模量，但是与原木的抗弯、抗压弹性模量的关系不明显［16］。

1995年，王志同等应用应力波法检测中密度纤维板的弹性模量，结果表明应力波法获取的中密度纤维板弯曲弹性模量具有足够精度，利用应力波法对中密度纤维板生产线产品质量进行在线检测和自动控制也是可行的［17］。冯国红、王立海等在2008年利用应力波木材无损检测技术开发出了应力波木材无损检测信号采集系统，对应力波在木材中传播的信号进行采集，通过对采集信号进行频谱分析、小波变换等处理，可以得到应力波在木材中的传播速度等参数［18］。

3 常用力学性能无损检测方法的特点及存在问题

3.1 超声波法的特点和存在问题

超声波法的特点是超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。超声波比普通声波的频率高，穿透能力强，传播能量比声波大得多。超声波在固体中的传输损失很小、探测深度大、检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低及对人体无害。但超声波检测技术易受外界干扰，并且如何将传感器与被测材料更好地连接是常见问题，木质材料与超声波探测头之间的空气间隙需要有良好的耦合剂。尤其是应用于在线检测时，如何实现既不影响生产效率，又能有效进行检测，还需要更深入的研究。

3.2 振动法的特点和存在问题

振动法的特点是简单、快速和便捷，研究学者运用振动法已经建立了振动与木质材料弹性模量、抗弯强度和硬度之间的相关关系。但是人工敲击产生振动信号的操作方式存在主观的人为因素，会对检测结果的可靠性和灵敏度产生影响。为了减少边缘条件的影响，提高自然频率检测的准确性，人工操作方式将被仪器化、智能化及自动化的操作方式所取代。通常检测到的振动信号为微小信号，如何避免或减小不同干扰源对测试信号的影响，确保测试结果的准确性，是振动类测试系统需要考虑的问题之一。

3.3 应力波法的特点和存在问题

应力波法的特点是不受被测木材形状和尺寸限制，在传感器和被测木材之间无需使用耦合剂。应力波的传播距离远，传播能量大，抗干扰能力强。对人体无害，安全可靠，其设备小巧，携带方便。然而木材属于各向异性材料，但目前用于应力波法测量试件动态弹性模量的计算公式基于各向同性材料，这样对检测精度会造成一定影响。应力波在木材中的传播速度可达微秒级，一般的数据采集和信号检测设备很难对其进行准确检测，对信号波形的分析更是困难［19］。

4 木质材料力学性能无损检测技术的发展趋势

(1)对非规格材和新型木质复合材料力学性能的研究。国内对木质材料动态弹性模量的研究较少，且研究对象几乎都是力学检测国家标准所规定尺寸的试件，对于市场上流通的大尺寸木质材料的动态弹性模量还未进行相关研究，对薄壁类小尺寸试件和新型木质复合材料力学性能的研究也十分有限，今后将对这类木质材料进行更加深入的研究。

(2)木质材料局部力学性能的评价。目前的研究几乎都是对木质材料的整体性能进行评价，而很少对局部力学性能进行预测与估计。并且利用动态检测法检测出的弹性模量都是样本的平均值，对于木材这种变异性大的材料仅仅进行整体预测还是不够的，因为其使用性能在很多时候取决于最低力学强度点。因此应加强木质材料局部性能的评价，以提高最终的利用率。

(3)木质材料力学性能检测的联机化。目前用于木质材料力学性能的无损检测方法较多，但每一种方法都存在一定的缺陷，且所测得的特性都不是其实际强度。在不同的试验环境、不同树种或木材的不同状态，采用同种试验方法得到的结果也不尽相同。因为木材性质的差异性和内部结构的复杂性，使得单独利用一种测量方法得到的结果往往不够理想。将多种方法联合检测，可以大大提高测试系统分析的精度和识别的准确性［20，21］。

(4)木质材料力学性能在线检测和自动分级。对于木质材料力学性能的在线自动检测和分级，国外学者已经做了大量研究，比较实用的方法有机械应力分级、应力波检测和超声波检测等。根据木质材料物理力学性能指标与基本力学性质之间的关系，推算出成材的力学强度从而进行自动分级和分等。目前我国对木质材料在线质量控制领域的研究还是一个空白，对木质材料弹性模量的在线检测刚刚起步，建立木质材料的在线检测系统将是我国木材无损检测领域的发展方向之一。

(5)带有抗干扰装置的力学性能检测系统。随着木材无损检测技术的不断发展和完善，检测木质材料力学性质的测试仪器将不再仅局限于单一装置，而是集检测、分析、处理、显示及记录为一体的测试系统。这类测试系统将更多的应用于实际检测环境中，对于不同干扰源和抗干扰装置的研究也就必不可少，借以保证测试系统的稳定性和检测结果的准确性。可从添加硬件装置和编译软件程序两方面着手，消除或减小干扰源对测试系统的影响。

5 结论

木材无损检测技术是一门新兴的、综合性的木材非破坏性检测技术，涉及范围广，以射线类和振动类为主要研究方向。应力波检测、超声波检测和振动法检测是3种比较常用的木材无损检测方法。今后，还需对木质材料力学性能的无损检测技术进行更加深入的研究，将有助于提高材料的质量控制水平，防止人为浪费，使木质材料的应用达到最大化。

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