木材多尺度结构差异对其破坏影响的研究进展*

王 东 林兰英 傅 峰

(1. 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091； 2. 南京林业大学材料科学与工程学院 南京210037)

1 木材多尺度结构和力学性质差异

1.1 木材多尺度结构

木材主要由纤维素、半纤维素和木质素(三大素)组成，其中纤维素作为增强材料嵌于半纤维素和木质素(基体)中(Gibson，1992)。同时，木材也是一种具有多尺度分级结构的复杂天然高分子复合材料，其多尺度结构主要包括纳米级高分子结构、微米级细胞壁多层结构和毫米级生长轮结构(Mishnaevskyetal.， 2008； 刘兆婷， 2008)。纳米级高分子结构(图1a)主要包括三大素的结构、排列取向(Boyd，1982)以及三大素的交联结构(Terashima，1989； Terashimaetal.， 1993； Atallaetal.， 1993； Duchesneetal.， 2000； Fahlénetal.， 2003)； 三大素按照一定的生物机制沉积形成细胞壁层(Terashimaetal.， 1993)，不同细胞壁层组成微米级细胞壁多层结构(图1b)； 胞间层连接相邻的2个多层细胞壁结构形成木材细胞结构(图1c)，不同形态细胞按照一定方式排列形成木材毫米级生长轮结构(图1d)。

1.2 木材多尺度结构与力学性质差异

1.2.1 纳米级高分子结构与力学性质差异 木材主要化学成分中，纤维素大分子链有规则地平行排列，聚集在一起形成基本纤丝，基本纤丝继续聚合形成微纤丝(Duchesneetal.， 2000； Fahlénetal.， 2003)。微纤丝的方向与终端配合物在质膜上的运动方向有关(Terashimaetal.， 1993)，该运动方向决定木材细胞壁的微纤丝角大小。半纤维素覆盖在微纤丝表面，决定微纤丝的大小(Terashimaetal.，1993； Awanoetal.， 2002)。半纤维素的排列取向与纤维素相似，但小于纤维素。在微纤丝形成过程中，微纤丝之间形成梭状空隙，木质素填充在这些空隙中(Boyd，1982)。木质素在胞间层任意排列，但在S2层沿纤维长度方向有一定取向性(Atallaetal., 1985； Bardageetal.， 2004； Salménetal.， 2011)。组成细胞壁的三大素力学性质各异(表1)，纤维素作为骨架物质主要提供沿纤维长度方向的刚度，木质素作为填充物质主要提供木材抗压强度(Åkerholmetal.， 2001； 2003； Gierlingeretal.， 2006； Salménetal.， 2009)。三大素性质各异是木材不同分级结构中结构和力学性质差异的主要原因，因此，研究木材结构和力学性质的差异，解释木材结构破坏机制，主要与不同分级结构中构造单元的三大素性质差异有关，其中包括各构造单元中三大素含量和微纤丝角的差异。

表1 细胞壁三大素的力学性质(含水率12%)①

1.2.2 微米级细胞壁多层结构与力学性质差异 细胞壁壁层从细胞腔向外依次为次生壁S3、S2、S1层以及初生壁P层和胞间层。胞间层木质素含量最大，初生壁以纤维素和果胶为主，具有很好的弹性和可塑性，与胞间层一起称为复合胞间层。次生壁因微纤丝角不同分为S1、S2、S3层。S1和S3层的微纤丝接近垂直于细胞轴，决定木材细胞的横向强度(Haradaetal.， 1985； Barnettetal.， 2004； Donaldsonetal.， 2005)。S1层厚度约占整个细胞壁厚度的10%，虽然厚度较小，但S1层处于复合胞间层和S2层之间，微纤丝角经历无序、増大再减小的过程，其对细胞壁的力学性能至关重要。S1和S2层之间微纤丝角和聚合物含量从S1到S2层存在明显变化(Abeetal.， 1991； Brändströmetal.， 2003； Donaldsonetal.， 2005)，S1和S2层之间存在过渡层。研究表明，当S1和S2层之间引入过渡层，细胞壁的理论弹性模量和干缩率与试验值之间的误差减小(Wangetal.， 2013； 2014)。S2层厚度最大，其微纤丝角为0～30°，主要决定木材的纵向强度。纹孔是初生壁形成次生壁时细胞壁上未被加厚的部分，其存在使得木材细胞微纤丝角发生改变，破坏S2层和细胞壁的完整性，属于细胞壁上的天然“缺陷”结构，外载荷作用下易产生应力集中。目前，关于细胞壁各层的结构和力学性质研究相对较多，但对于各层之间的微纤丝角和三大素过渡变化(突变或缓变)仅限于理论推测阶段。过渡层的位置、厚度、微纤丝角以及三大素的含量变化对于细胞壁各层之间应力传递至关重要，而且在外载荷作用下，壁层之间的应力集中往往也与过渡层有关。此外，木材实际受载时细胞壁变形或应力状态主要由细胞壁各层性质以及层间相互作用共同决定，目前关于细胞壁各层性质研究比较明确，但外部载荷作用下细胞壁层间的应力传递规律以及层间交互影响研究较少。

1.2.3 毫米级生长轮结构与力学性质差异 由于生长季节差异形成早晚材细胞结构，因此木材横截面表现为多个生长轮结构的同心层状分布。一般早材壁厚为晚材的20%～50%，早材微纤丝角略大于晚材，早材木质素含量也高于晚材(Bertaudetal.， 2004)。根据多孔性材料结构与力学性质之间的关系(Gibsonetal.， 1999)，木材力学性质主要与木材细胞形状、壁层厚度、径/弦向尺寸有关，早材的干缩湿胀(Maetal.， 2006)、弹性模量(Crameretal.， 2005； Farruggiaetal.， 2000)、拉伸强度和断裂伸长量(邵亚丽， 2012)均明显小于晚材。木材实际受载时，早晚材在一个载荷体系中，因为早晚材结构差异，其对载荷的响应不同，往往会在早晚材边界产生剪切破坏。木射线是所有木材都具有的薄壁组织，壁厚一般小于1 μm，在木材横截面呈辐射状排列，细胞排列方向与绝大多数细胞不同，木材径向和弦向物理力学性质差异主要源于木射线的存在。木射线处于纵向排列的细胞之间，射线细胞壁壁层之间、射线细胞壁与纵向细胞壁之间因其力学性质各异，在不同载荷作用下会表现出一定的变形不协调。

综上可知，在木材生长轮结构范围内存在“早材细胞与晚材细胞”、“径向射线细胞与纵向排列细胞”2种结构体系，且每种结构体系单元都存在结构和力学性质的较大差异，每种结构体系内部单元之间也均存在相互影响。早晚材之间的生长轮边界以及射线细胞与管胞之间的交叉场区域为木材中重要的力学界面，而这些均会引起复杂的木材破坏过程。目前，对于木材细胞壁各层的结构和力学性质研究比较明确，但实际细胞壁受力时细胞壁内各层之间存在相互影响，最终细胞壁失效破坏是多个壁层之间相互作用的结果，因此，研究外载荷作用下各壁层之间的应力传递规律，对研究木材细胞壁多层结构的破坏机制具有重要意义。

2 木材多尺度结构差异对木材结构破坏的影响

2.1 三大素结构差异对木材结构破坏的影响

在外载荷作用下，木材三大素大分子间存在分子链内以及分子间的氢键破坏、滑动和重新组合。随载荷增大，应力达到破坏共价键水平时，化学成分内部C—C和C—O之间的共价键受到破坏，大分子链变短，之后纤维素结晶区破坏，主要骨架在分子水平上解体，最终导致细胞壁破坏。张双燕(2011)通过不同梯度脱除木质素和半纤维素的单纤维拉伸破坏研究表明，木质素对细胞壁刚度影响不大，纤维细胞壁的拉伸强度和断裂伸长率随木质素含量增加而减小，但半纤维素作为黏结木质素和纤维素的界面高分子，对细胞壁刚度、拉伸强度和断裂伸长率均有显著影响。脱木素的纤维断裂表现出较多的韧性断裂，而脱半纤维素的纤维断裂表现出明显的脆性断裂。通过纤维素、木质素和半纤维素的排列方向研究，半纤维素对细胞壁的横向强度影响较大(Berganderetal.， 2002)，对纵向强度影响较小(Stevanicetal.， 2009)。木材细胞壁沿纤维方向拉伸，破坏主要表现为纤维素和木质素的剪切破坏。

2.2 细胞壁壁层结构差异对木材结构破坏的影响

Mark(1967)基于理论分析表明，正常管胞轴向拉伸时断裂不是始于胞间层，而是经历2个阶段，第1阶段为S1层的剪切破坏，第2阶段为沿着S2层微纤丝角方向的螺旋开裂，最终破坏模式与S2层微纤丝角有关。Davies(1968)通过研究辐射松(Pinusradiata)木片(80 μm)的纵向拉伸破坏发现，裂纹出现在胞间层或S1层，裂纹从胞间层扩展最终导致木材破坏。这2项研究均采用几十微米的木片拉伸，试件的加工缺陷会对木材破坏产生影响(Mark，1967)。在研究木材平行纹理方向拉伸时，细胞壁发生细胞壁横断、壁层内部破坏和胞间层分离3种情况，其中壁层内部破坏往往发生在S1和S2层之间(Zinketal.， 1994)。断裂力学是研究材料和工程结构中裂纹扩展规律的一门学科，通常在木材上预制一个裂口，通过探讨木材中裂纹的扩展规律来研究木材的破坏模式(邵卓平， 2012； 任海青等， 2001)； 但预制裂口会干扰正常木材的破坏过程，木材易在垂直裂口尖端位置发生剪切破坏，同时材料启裂所需能量要大于裂纹扩展能量，所以预制裂口会掩盖木材破坏过程中最先破坏的结构位置。Qing等(2009)采用3D模拟木材细胞结构在外载荷作用下的应力-应变关系，结果发现木材在轴向应变作用下，应力集中在S1和S2层的交界处； 在横向应变作用下，应力集中在细胞角隅和S3层； 在纵切面内剪切力作用下，应力集中在S2层； 而在横切面内剪切力作用下，应力集中在S1和S3层。S1和S3层厚度只有0.1～0.2 μm，微纤丝角较大，对纵向力学强度影响小，但对壁层横向力学强度影响较大，尤其是S1层(Berganderetal.， 2002)。可见，目前关于不同载荷作用下壁层结构破坏时的起始破坏位置尚存在异议。此外，目前判断细胞破坏位置主要通过断面的纵切面进行，对于壁层破坏位置判断不够精确，因此应从细胞破坏的纵切面和横切面相互判断，精准定位木材细胞壁起始破坏位置及裂纹扩展过程。纹孔的存在破坏了细胞壁的完整性，导致纹孔附近的细胞微纤丝角变大，木材受载荷作用时易产生应力集中。木材纵向拉伸时，早材细胞表现为横穿细胞的破坏，破坏位置为细胞两端纹孔较多的区域，并沿纹孔边缘破坏，而晚材破坏沿胞间层扩展，从细胞壁纹孔边缘位置破坏。Mott(1995)研究云杉(Piceaasperata)晚材轴向拉伸断裂，裂纹发生在具缘纹孔区域的不同位置，如纹孔缘上下边缘等。Muzamal等(2017)研究指出，当木材在蒸汽压力的均布载荷作用下，交叉场纹孔处易产生应力集中，使木材细胞壁产生细小裂纹。

2.3 生长轮结构差异对木材结构破坏的影响

早材细胞因其壁薄、强度低，易形成横穿细胞壁的断裂形式，而在早晚材边界处，由于组织构造差异较大，裂纹从早材向晚材扩展时，会沿边界处的早材部分延展(任宁， 2007)。巩翠芝等(2007)通过环境扫描电镜原位检测木材纵向拉伸断裂过程，证实早材细胞的破坏方式为细胞壁横向断裂和胞壁内劈裂，晚材细胞的破坏方式为细胞壁横向断裂，只有早晚材边界处出现胞间层之间的劈裂。木材生长轮结构的破坏也与木材细胞类型有关，木射线与纤维细胞生长方向是相互垂直的，在径切面，2种组织呈交织状，试件在轴向载荷作用下，当裂纹尖端遇到木射线时，破坏会在木射线边缘迅速扩展，形成整齐的断口； 而在弦切面，木射线的存在会阻碍和改变裂纹扩展(任宁， 2007)。Eastering等(1982)研究表明，木材径/弦向弹性模量差异主要源于木射线的作用。Li等(2010)通过模拟单个细胞受由内向外均布载荷作用，得出木射线细胞强度最低，是最早产生裂纹的木材组织。

综上，木材破坏主要包括初始裂纹萌生和裂纹扩展过程，裂纹萌生和扩展主要由木材不同尺度单元间结构和力学性质的差异以及木材内部缺陷的不规则演化决定。木材结构破坏首先从细胞壁某一层启裂，接着裂纹扩展到整个细胞壁，随后生长轮结构破坏，最后木材整体破坏，因此研究外载荷作用下木材细胞的起裂壁层以及裂纹扩展、建立木材微观结构与木材宏观机构破坏之间的关系对于木材破坏机制研究具有重要意义。此外，裂纹萌生、裂纹扩展方向以及在不同组织内部扩展所造成的细胞破坏类型都不同，因此区分木材破坏过程中不同断面的细胞破坏类型对研究木材微观结构破坏机制也具有重要意义。

3 木材多尺度结构分析模型构建与理论分析

3.1 木材多尺度结构模型构建

木材结构分析模型包括多孔性结构模型、细胞壁层合板模型、均质化结构模型和多尺度结构模型。多孔性结构模型基于木材细胞结构，木材在横截面是由形态不同中空细胞组成的蜂窝结构，木材的物理、力学性质与木材细胞的细胞壁、细胞形态有关(Gibsonetal.， 1999)。Easterling等(1982)利用多孔性结构模型研究细胞形态与木材力学性质之间的关系，结果表明，木材细胞越大，木材的刚度和强度越低，木材径向和弦向弹性模量的差异主要源于木射线的作用； Watanabe等(1999； 2000)根据木材细胞实际参数修正多孔性结构模型，使得测量值与理论值之间的误差减小。但需要指出的是，木材多孔性结构模型研究过程中并未考虑木材细胞壁的多层结构。木材细胞壁各层可视为纤维增强复合结构(Barberetal.， 1964； Barber， 1968)，胞间层被作为胶合物质连接相邻的2个细胞壁层，木材细胞壁被等效为反对称多层同心柱状的层合板复合材料(Yamamoto， 2004； Yamamotoetal.， 2005)。通常根据经典Halpin-Tsai模型计算各壁层的力学常数，利用层合板拉伸矩阵、耦合矩阵和弯曲矩阵与每一层弹性常数和微纤丝角的关系研究木材细胞壁微力学特性。均质化结构模型基于各相性质平均或微平均的思想(Hofstetteretal.， 2005； 沈观林等， 2013)，忽略了木材细胞壁的多层结构和年轮特征，未考虑木材细胞类型和形态差异。而多尺度结构模型是结合微观纤维复合材料模型、介观细胞壁层合板模型和宏观木材多孔性模型形成的一种木材多尺度结构分析模型，与其他木材结构分析模型相比，该模型既考虑了壁层内纳米尺度结构的差异，也考虑了木材宏观细胞形态和类型的差异。木材多尺度结构模型构建基于3个假设： 宏观尺度上，木材作为具有一定形状和壁厚的蜂窝状多孔性结构材料，细胞形态、弦/径壁长度、细胞壁厚度作为主要参数建立木材结构分析模型，其考虑了细胞早晚材差异甚至是木射线的影响； 介观尺度上，木材细胞壁视为由M、P、S1、S2、S3以及过渡层组成的弹性层合板，各层的力学性质、厚度作为主要参数建立木材细胞壁结构分析模型，其考虑了不同层厚度、过渡层位置以及厚度对木材细胞壁力学性质的影响，同时纹孔作为弹性层合板上的缺陷，分析了纹孔结构对木材细胞壁力学性质的影响； 微观尺度上，细胞壁的每一层被视为纤维增强材料，层内三大素含量以及微纤丝角作为主要参数，考虑了细胞壁不同层结构差异对其力学性能的影响。

3.2 木材多尺度结构破坏的有限元分析

多尺度结构模型是结合纤维复合材料模型、层合板模型、多孔性模型以及木材年轮特征形成的一种木材结构分析模型，该模型考虑了壁层内纳米尺度三大素含量和微纤丝角的差异、微米级细胞壁层性质和细胞形态的差异，甚至考虑年轮内不同细胞类型的差异。木材结构包括纳米到毫米的多级尺度结构，不同分级结构单元之间存在差异，而这些差异会导致结构单元之间的力学性能不同，且木材破坏往往也与这些差异有关。通过现有的试验手段很难完全得到不同分级结构单元的力学性能差异以及破坏机制，特别是微米级结构中细胞壁各层之间的差异和破坏过程，而有限元模拟作为复合材料力学性能分析的重要手段，可有效分析木材不同分级结构单元之间力学性能的差异，解释木材不同结构的破坏机制。基于多尺度结构模型研究微纤丝角、各壁层厚度、细胞形态差异以及早晚材木材密度对针叶材力学性能的影响，可得到不同载荷作用下各壁层的应力集中位置(Qingetal.， 2009； 2010)。因此，通过木材多尺度结构模型的有限元分析，可有效研究木材结构差异与破坏之间的关系。

4 研究展望

木材破坏主要包括初始裂纹萌生和裂纹扩展，裂纹萌生和扩展主要由木材不同尺度结构单元间结构和力学性质的差异以及木材内部缺陷的不规则演化决定，分析木材内部结构差异以及缺陷对木材结构破坏的影响机制对木材力学性质研究和后续木材增强改性具有一定的理论指导意义。有关木材多尺度结构差异对木材破坏影响的研究建议未来从以下3方面开展：

1) 深入解译木材微纳结构的性质差异，研究木材三大素的排列取向规律以及木材不同化学组分对外部载荷的响应差异，揭示壁层内三大素的变形机制； 研究细胞壁各层化学组分分布以及微纤丝取向不同导致的力学性能差异，分析外载荷作用下各壁层之间存在的应力传递规律。

2) 研究不同载荷作用下木材生长轮结构和细胞壁结构的裂纹萌生和扩展规律，精准定位木材破坏过程中不同尺度结构的裂纹萌生位置，区分裂纹在不同木材组织内部扩展时破坏断面的细胞破坏模式。

3) 借助有限元分析等理论方法，研究木材不同尺度单元间结构差异对木材生长轮结构和细胞壁结构上应力分布规律和应力集中位置的影响，揭示木材多尺度结构差异对木材破坏的影响机制。