高地钩叶藤的主要物理力学性能研究

薛 夏，季必超，汪佑宏，王鹏程

(安徽农业大学林学与园林学院，合肥 230036)

棕榈藤（Rattan）属棕榈科（Palmae），是具有较高经济价值和开发前景的热带和亚热带森林中的单子叶植物资源[1]，藤茎是仅次于木、竹材的重要非木材林产品[2]，被广泛用于制造家具及工艺品[3-5]。高地钩叶藤属于省藤亚科钩叶藤属，为攀援、丛生的藤类，在我国主要分布于云南一些海拔在1 450～1 800 m的竹林和山地常绿阔叶林中；藤茎质地较粗糙，一般用于编织较粗糙的藤器或扎栏[6]。

目前对高地钩叶藤的研究主要集中在微观构造[7-10]、细胞壁超微构造[11-12]和改性处理[13-15]上，对高地钩叶藤的部分力学性质研究虽略有涉及，但也是分别对藤皮、藤芯进行测量[16-17]，难以真实反应出棕榈藤制品在使用过程中的受力情况。此外，对高地钩叶藤在家具制作等有显著影响的还是其断裂性质、韧性等。近来，国内学者对木材和竹材的断裂力学原理进行了一些研究，如邵卓平等[18-20]从断裂原理和实验上阐述了木材宏观和微观断裂性质和强韧机理，也有学者对竹材的断裂韧性进行较为深入的研究[21-22]，而对棕榈藤材断裂韧性的研究则鲜有报道。考虑到高地钩叶藤等棕榈藤因藤龄、立地条件等因素造成株间材性差异明显，作者以高地钩叶藤为研究对象，对其韧性等主要物理力学性能进行了系统测试研究；同时，运用两种不同方法对其横纹和顺纹断裂韧性进行了测试，以期为其综合加工利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

高地钩叶藤（P. himalayanaGriff.）属省藤亚科钩叶藤属，试材采自云南梁河县，海拔1 480～1 500 m。选取 10 株健康藤茎齐根伐倒，去除叶鞘，测得藤径13 ～ 30 mm，藤茎长16 ～ 20 m，节间长165 ～ 265 mm，从基部向上每2 m长截断、编号。

1.2 方法

参照LY/T 2220.1—2013制备试样：在每个取样单元，从基部向上，第1节节间依次截取长度为50 mm的抗压强度试样、35 mm的抗剪试样，第2节截取长为160 mm的抗弯强度试样，第3节截取长为160 mm抗拉强度试样。所有试样在温度为20 ℃、湿度为65%条件下调节含水率至平衡后，再进行力学试验，所有力学试验均用WDW-100E型万能力学试验机完成。（1）密度及干缩性测试在抗弯强度测试后的破坏试件上，参照国标GB/T 1933—2009和国标GB/T 15780—1995规定截取长度为2 cm的样品作为密度试件，测定其基本密度、气干密度和绝干密度。藤材干缩性质的测定，参照国家标准GB/T 1932—2009中的方法来进行，分别测量轴向、面积及体积的全干和气干干缩率。（2）抗拉强度及抗拉弹性模量参照国内外棕榈藤材抗拉强度测试方法，设计了顺纹抗拉试样。从长为160 mm的藤径中取藤芯与藤皮的分层抗拉试样如图1，试样尺寸为160 mm (长) ×10 mm (宽)×2 mm (厚)，两侧的为藤皮拉伸试样，中间为藤芯拉伸试样，破坏处断面为10 mm× 1 mm。（3）抗弯强度及抗弯弹性模量参照竹材抗弯弹性模量、抗弯强度测试标准GB/T 15780—1995，试材取整藤节，长160 mm，即D×160 mm，采用中央加荷，跨距120 mm，以均匀速度加荷，在(60 ± 30)s内使试样破坏。（4）抗压弹性模量及抗压强度参考GB/T 3356—1999和GB/T 1935—2009，根据预试验，确定测试高地钩叶藤的最佳长度为30 mm。（5）抗剪强度参照竹材抗剪强度测试标准GB/T 15780—1995，设计如图2所示的抗剪试样。（6）冲击韧性参照木材冲击韧性试验标准GB/T 1940—2009。（7）断裂韧性。横纹断裂韧性采用三点弯曲法进行测试，横纹断裂韧性采用紧凑拉伸法进行测试。三点弯曲方式参照ASTM-E 399—2012制成长100 mm、宽为直径、厚度5 mm左右的标准无疵LR试件，再沿径向加工出裂纹深度为直径的1/2，如图3A所示。在万能实验机上，按5 mm·min-1匀速加载。记录施加载荷(P)和裂纹张开位移(δ)之间的关系，可以得出裂纹扩展时的临界载荷 PQ，根据公式（1）可以计算出断裂韧性：

图1 分层式抗拉试样Figure 1 Lavered samples of tensile test

图2 藤材抗剪性能测试Figure 2 Shear performance test of rattan

图3 藤材的断裂韧性测试Figure 3 Fracture toughness test of rattan

式（1）中，S为支点跨距，B、W分别为试件的厚度和宽度，PQ为裂纹初始扩展的临界载荷，a为预制裂纹尺寸，f(a/w)为裂纹尺寸系数，由式（2）定义：

紧凑拉伸方式参照GB4161—1984制成试件高度为H= 20 mm，长度为L= 100 mm，厚度为B= 20 mm，预制裂纹深度为a= 50 mm的试样，如图3B所示。万能材料实验机上，记录施加载荷(P)和裂纹张开位移(δ)之间的关系，可以得出裂纹扩展时的临界载荷 PQ，由公式（3）（4）计算出断裂韧性：

式（3）中：

2 结果与分析

2.1 物理性质

2.1.1 密度 密度一般包括气干密度、基本密度、生材密度和绝干密度。一般而言，密度与其力学强度存在一定正相关关系，即密度越大，其对应的力学强度往往也越大。由表1可知，高地钩叶藤的气干密度为0.44 g·cm-3，高地钩叶藤的基本密度（0.36 g·cm-3）平均值与其他藤种如钩叶藤（0.33 g·cm-3）[23]和黄藤（0.39 g·cm-3）相近，低于单叶省藤(0.47 g·cm-3)[24]，可以推断高地钩叶藤具有和一般藤种相近的力学性能。

表1 高地钩叶藤的3种密度Table 1 Three densities of P. himalayana Griff.

2.1.2 干缩性 藤材的气干和全干缩率的测定结果（表2）显示，高地钩叶藤的全干干缩率变化：轴向干缩率为0.45%～0.84%，面积干缩率为5.96%～12.23%，体积干缩率为5.77%～12.63%。气干干缩率的变化：轴向干缩率为0.13%～0.75%，面积干缩率为1.54%～10.96%，体积干缩率为2.26%～11.53%。高地钩叶藤的横向干缩率远大于轴向干缩率，这种差异性可能会对该藤材的加工利用产生影响。

表2 高地钩叶藤的气干干缩率和全干干缩率Table 2 Air-dry shrinkage ratio and oven-dry shrinkage ratio of P. himalayana Griff. %

2.2 力学性能

2.2.1 抗拉性能 由表3可知，高地钩叶藤藤皮的抗拉强度和抗拉弹性模量均明显高于藤芯，藤皮分层抗拉强度为56.93 MPa，藤芯分层抗拉强度为23.91 MPa，由此可见藤皮对高地钩叶藤的抗拉性能有着特殊贡献，这可能是因为藤皮的纤维含量高于藤芯，纤维的胞壁厚度越大，胞壁实质含量越多，机械力学性能越好[22]。

表3 高地钩叶藤的抗拉强度与抗拉弹性模量Table 3 Tensile strength and tensile modulus of P. himalayana Griff.

2.2.2 断裂韧性 由表4可知，高地钩叶藤的横纹断裂韧性为1 870 kN·m-3/2，顺纹断裂韧性为77.8 kN·m-3/2，横纹断裂韧性比顺纹断裂韧性大的多，横纹断裂韧性大约是顺纹断裂韧性的24倍，这与高地钩叶藤纤维的取向密切相关。同时在试样制作时，三点弯曲法对藤皮基本进行了保留，而紧凑拉伸法由于试样限制，大部分藤皮都被除去，这也增加了两种断裂韧性的差距。因此，在高地钩叶藤加工使用过程中，要尽可能避免其顺纹断裂。

表4 高地钩叶藤的断裂韧性Table 4 Fracture toughness of P. himalayana Griff.

2.2.3 其他力学性能 抗弯强度和抗弯弹性模量是藤材重要的力学指标，是藤材材质判断的主要因子。由表5可知：高地钩叶藤抗弯强度为49.95 MPa，低于其他藤种如黄藤（65.52 MPa）、单叶省藤材(68.38 MPa)，以及云南省藤（75.46 MPa）[16]，抗弯弹性模量为804.10 MPa；高地钩叶藤抗压强度为33.12 MPa，高于黄藤（23.54 MPa）和单叶省藤材(31.59 MPa)[24]，更高于版纳省藤（19.67 MPa）等[16]，由此可知高地钩叶藤抗弯性能较差但抗压性能较好。此外高地钩叶藤的抗剪切强度为4.77 MPa，冲击韧性为184.02 kJ·m-2。

表5 高地钩叶藤的部分力学性能Table 5 Partial mechanical properties of P. himalayana Griff.

3 结论

高地钩叶藤气干密度、绝干密度和基本密度分别为0.44、0.46和0.36 g·cm-3。体积气干干缩率和体积全干干缩率的变化范围分别为2.91%～8.11%和7.71%～11.36%，干缩各向异性较大。高地钩叶藤的抗弯弹模、抗弯强度、抗压强度、抗剪切强度和冲击韧性分别为804.10 MPa、49.95 MPa、33.12 MPa、4.77 MPa和184.02 kJ·m-2。高地钩叶藤抗弯性能较差但抗压性能较好。三点弯曲法测得其横纹断裂韧性为1 870 kN·m-3/2，紧凑拉伸法测得其顺纹断裂韧性为77.8 kN·m-3/2，高地钩叶藤的横纹断裂韧性比顺纹断裂韧性大得多，横纹断裂韧性大约是顺纹断裂韧性的24倍。总的来看，高地钩叶藤的材性较差，但可通过改性处理提高其相应的性质而加以利用。