全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
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林 业 科 学
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收稿日期" $%&$ =&$ =&9# 修回日期" $%&’ =%’ =%A$
基金项目" 中央高校基金%g/&’.?%’& # 国家自然科学基金%’&&9%A&9& $
薄木层积材颈椎夹板构造机制
及其弹性模量计算
张B杨B马B岩B杨春梅
%东北林业大学林业与木工机械工程技术中心B哈尔滨 &A%%!%&
摘B要! B采用现代颈椎夹板设计理论!从微观结构研究薄木层积材特性!构造新型薄木层积材颈椎夹板$ 文中给
出模压颈椎夹板的薄木最优尺寸!求出其理论弹性模量!给出对强度产生影响的相关系数!并推导出这些系数和薄
木层积材颈椎夹板的弹性模量之间定量的数学关系和力学表达式!为颈椎夹板复合弹性力学的微观力学理论提供
基础!并给出试验证明$
关键词" B细胞# 刨花# 重构# 高压缩比# 异型模压颈椎夹板
中图分类号! (9#&3$BBB文献标识码! .BBB文章编号! &%%& =9!###$%&’$%# =%&%’ =%A
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GU28LE! OL7 VO2V42OEF7 ENFENF1TFE8VO2F2OGE8VW17424GOL7 8EGV1TTF2OE81L V1FS8V8FLEXN8VN X1427 8WUOVE8EGGETFL5EN6
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W8VT1WFVNOL8VGENF1TP1SVFTZ8VO2GU28LEV1WU1G8EFF2OGE8VWFVNOL8VG! OL7 UT1Z87F7 FQUFT8WFLEO2UT11SG6
=(> ?1*@-" BVF2# GNOZ8L5# TFV1LG8E4E81L# N85N V1WUTFGG81L TOE81# NFEFT1EPUFW127F7 VFTZ8VO2GU28LE
BB在现代医用骨伤固定材料研究中!通过改变材
料的密度(弹性(强度等特性来达到与人体皮肤间的
相容性是医用生物材料一个重要的研究方向 %马
岩! $%%&# $%%$Y# $%%’&$ 在薄木层积材颈椎夹板
构造研究中!一定厚度和纹理的薄木其厚度(密度(
压缩比(弹性模量等参数对于薄木的模压强度尤为
重要!通过这些参数的选取可以得出材料不同的孔
穴率分布形式!这也从另一方面说明了对相容性模
拟的可行性%温变英! $%%&# 陈艳飞! $%%>&$ 本文
分析了薄木层积材颈椎夹板构造!得出了其具有相
容性(弹性(高压缩比(透气性等特点%马岩! $%%A#
科尔曼! &""&# 成俊卿! &"#A&$ 这种新型颈椎夹板
是一种比实木和塑料更具有优良性质的新型生物材
料!满足了患者对医疗效果和舒适度的双重需要
%周忠礼! $%%%&$
&B薄木层积材颈椎夹板的构造
薄木层积材是用刨切后所得的超薄薄木!经过
数层按照一定方向顺纹组坯(低压胶合而成的一种
结构材料$ 之所以称之为薄木是因为所得的刨切薄
木厚度可达到 %3& WW$ 如今微纳米技术的成熟!对
于加工超薄薄木已不是难题!切削时可以通过改变
木材细胞的裂解方式来获得微米级的薄木 %D82$-
.#=! &"""# ]OF‘OXO$-.#=! &""’&!如图 & 所示!薄木
林 业 科 学 !" 卷B
图 &B薄木细胞裂解形态
@856&B)F2T4UE4TFS1TW1SG28VF7 ZFLFFT
的细胞成一定方向排列!结构稳定且细胞壁被破坏!
细胞空腔内物质得到消除$ 再将薄木模压层积成单
板%图 $&!利用异型模压技术进行重构加工!理论上
强度会得到提高!可以加工出新型骨伤固定颈椎夹
板 % (8L5N $-.#=! $%%&# KOEOLOYF$-.#=! &"""#
R1GN81‘O$-.#=! $%%’&$
图 ’B复杂的封闭微观状态的液压系统
@856’B]8VT1GV1U8VGEOEF1SENFV1WU2FQV21GF7 NP7TO428VGPGEFW78O5TOW
图 $B薄木层积材及其断面结构
@856$B-NFG28VF7 ZFLFFT2OW8LOEF7 E8WYFTOL7 8EG
VT1GG$B薄木层积材的高压缩比形成机制
木材细胞纤维壁是弹性组织!在一定的外力作
用下!只要这个力不超过其破坏强度!单个纤维细胞
就会产生碟簧效应!并且可以将纤维细胞看做是 $
片碟簧对叠后形成的碟簧组%图 ’&$ 这种蹀簧效应
对薄木的层积强度是有影响的%马岩! $%%>&$
从木材压缩的原理上看!如果木材纤维细胞没
有得到有效的破坏!内部胶液便无法去除!从而降低
了压缩的强度$ 因此!对木材纤维细胞的破坏是解
决问题的主要方法$ 传统切削刀具的刃口半径大于
细胞直径!无法破坏木材六棱形的细胞结构!因而要
选择一种微米级切削手段!刀具刃口半径应小于木
材细胞直径尺寸!从而破坏木材细胞壁!消除其六棱
形结构!在压缩的过程中便不会产生弹性恢复!消除
了其本身具有的碟簧效应$ 这种方法是将薄木厚度
切削尺寸控制在微米级!通过去除木材细胞空腔内
物质并用重构压缩的方式来形成薄木层积的高压缩
比和回弹性%马岩! &""AO# $%%$O&$
薄木切削时是按木材的顺纹方向!因为细胞的
纵向劈裂相对容易且功耗小!薄木横断面结构特征
说明了单个细胞在这一层内的排布方式$ 取切削厚
度为 %3$A h%3!A/%!木材细胞经剖分后的横断面结
构可以出现图 ! 所示 ’ 种情况%马岩等! $%%>&$
这 ’ 种情况都消除了木材细胞的空腔!并剔除
了空腔内影响强度的胶液和节子类等缺陷!木材细
胞的结构被破坏$ 因此!在模压薄木颈椎夹板时!就
可以形成高压缩比的薄木层积材!为颈椎夹板的制
造提供了有利条件$
!%&
B第 # 期 张B杨等" 薄木层积材颈椎夹板构造机制及其弹性模量计算
图 !B加工成薄木后的细胞变化情况
@856!BIT1VFGGF7 8LE1G28VF7 ZFLFFTVF2VNOL5FG
’B薄木最优参数加工的试验数据确定
通过对薄木单元形态分析后发现!对于强度(相
容性(弹性模量(压缩比和握钉力等参数来说!薄木
的形态差别与单元尺寸对此有较大影响$ 因此!提
高薄木层积材的性能应从研究薄木单元入手!从理
论上确定刨切薄木模压颈椎夹板的最优参数$
应从薄木的厚度(长度(宽度尺寸上定义薄木单
元的最优参数$ 厚度上通过超薄刨切技术!将薄木
的厚度加工成细胞外径的 %39$ h&3$A 倍!厚度应近
似于细胞外径# 在长度方面!不仅要保证顺纹切削!
还要保证足够的长度!因为薄木的长度至少要达到
’% WW才能使木材细胞的重构产生稳定的强度和相
应的弹性(压缩比# 在宽度上借鉴其他人造板特性
应在 &> h$A WW之间!在保证纵向高强度的同时!
提高横向拉伸强度%马岩等! $%%9&$
在实际加工中!薄木厚度上的尺寸是最难满足
的$ 如图 A!> 所示!在对落叶松 % K.+*@%,$#*(*&和
毛白杨%D"O2#21-",$(-"1.&刨花刨切试验中!落叶松
削片最薄可达到 %3%9% WW!毛白杨最薄可达到
%3%"A WW!二者都可以满足薄木层积材模压颈椎夹
板理想薄木厚度$
图 AB落叶松进行超薄刨花加工后的图片
@856AB-NFU8VE4TFGOSEFT2OTVN X117 UT1VFGG8L51SENF
42ETO!B薄木层积材颈椎夹板弹性模量的理论
分析
BB对于薄木层积材颈椎夹板强度计算单元而言!
图 >B毛白杨经过超薄刨花加工后的图片
@856>B D"O2#21-",$(-"1. UT1VFGGF7 ENT145N
42ETO如果其满足了复合材料力学中宏观各向同性条件!
那么当颈椎夹板受到外力作用后!应力和应变存在
下列关系"
)@ ?
&
’@7
%$@A-@7$7A")-@U$U&!
)7 ?
&
’@7
%A-@7$@G$7A")-@U$U&!
)U ?
&
’@7
%A-@7$@A-@U$7G")$U




 &#
%&&
&@7 ?
$%& A-@7&
’@7
1@7!
&@U ?
&
]@7
1@U!
&7U ?
&
]@7
17U




 $
%$&
式中"’@7为 BbT平面内的弹性模量#’U为U方向上
的弹性模量# ") ?’@7E’U为不同方向的弹性比# )(
为 ( 方向上的应变# -(,为应力在 ( 方向上横向应
变的泊松比#$(为 (方向上的正应力#&(,为 (!,平
面内的切应变# 1(, 为 (!,坐标轴中的切应力#
(!, ?@!7!U$
由于薄木片为随机铺装!所以在无压力作用下
的薄木片其初始分布方向是任意的!但经压力作用
后!绝大部分薄木片分布的状态在 BbT平面内!仅
有少量纤维在 ^方向上分布!由于数量很少可以忽
略不计!因此!可以假设压制后薄木走向完全平行于
BbT平面!如图 9 所示$
A%&
林 业 科 学 !" 卷B
图 9B刨花铺装的坐标关系
@8569B-NFGNOZ8L5GUOZFWFLEV11T78LOEFTF2OE81LG
在此前提下!设在 BbT平面内各方向上 ’@7相
同!但薄木层积材颈椎夹板的 ’@7与主方向上的弹
性模量 ’& 的方向是不同的!如果将 ’& 投影到 ’@7的
方向上!并且在整个平面内积分!积分后可以满足以
下关系"
’@7) MW0’&%Q&K GQ$J& ) %=$&$’&$ %’&
BB将式%’&看做为在 ’@7方向上求解 ’& 的平均
值!由式%’&可得出" 理论上薄木层积材模压颈椎夹
板随机铺装的强度相当于定向铺装强度的 $&3$c!
即理论上主方向的弹性模量相当于普通刨花板弹性
模量的 A 倍左右$
AB薄木层积材模压颈椎夹板弹性模量提高
的微观力学解释
BB式%’&充分说明了铺装时单元薄木片弹性模量
在方向上的变化会导致总体弹性模量降低的问题!
但是式%’&仅能定性(近似地反映木材材种与薄木
铺装方向的改变对颈椎夹板弹性模量的影响!并没
有准确地反映出加工过程中其他因素对弹性模量的
影响$ 事实上!在夹板加工过程中!薄木的尺寸(密
度(施胶量(胶合程度等因素对弹性模量的影响也是
不能被忽略的$ 因此!仅靠式%’&推导其弹性模量
是不够准确的!其他因素对弹性模量的影响也将作
为讨论的重点$
可用下式计算胶量配比对薄木层积材颈椎夹板
弹性模量产生的影响%战丽等! $%%$&#
’@7) MW0’&%Q&K GQ$J&$ %!&
式中" ’& 为主方向上胶料的弹性模量# MW 为体积
率# 0为薄木片强度增加系数# K 为不直系数# J为
施胶率# Q& 为理论上随机铺装与定向铺装的强度
比# Q$ 为不同胶种对 ’& 的强度比$
根据式%’&! 理论上 Q& ?%=$&$$ 另外!一般在
使用脲醛胶的情况下! Q$ 取值 &3’!即脲醛胶对 ’&
的强度比为 &3’ 左右$ 薄木微米化之后对木材弹性
模量的影响可以通过引入薄木强度增加系数 0来
说明"
0?&%%
&A’.]2
G&$ %A&
式中" .] 为薄木层积材的密度# 2为薄木层积材孔
穴压缩变化率$
当薄木层积材制成颈椎夹板的孔穴比值大于原
来木材细胞的孔穴比值时!2 n%# 小于原来木材细
胞孔穴比值时! 2 o%# 在二者相等时! 2 b%$
系数 0能够定量地反映出薄木层积材颈椎夹
板压缩程度对弹性模量的影响$ 当用薄木层积材压
制轻质低密度颈椎夹板时!其压缩程度对弹性模量
的影响可以通过这个小于 & 的系数反映出来# 当压
制高压缩比颈椎夹板时!其强度提高的比例数可以
通过这个大于 & 的系数反映出来$
在施胶以后!胶料与薄木的胶合程度将对材料
压缩后的强度产生一定的影响!因此引入薄木与胶
料的胶合系数 ,!,在%%! &&之间变化!当薄木和胶
完全胶合时!,b&# 若薄木和胶根本没有胶合!,b
%# 当薄木与胶的胶合状态不均匀时! ,值由试验
标定$
薄木层积材的压缩量也会对颈椎夹板强度产生
影响!可以通过下面公式体现"
!P
)P
?
MW
)W
# %>&
!5)5 ?JMW)P$ %9&
式中" !P为薄木层积材压缩比# )W为薄木自然状态
下体积# !5为胶料压缩比# )5为胶料自然状态下体
积# )P为薄木层积材颈椎夹板体积$
将式%>&!%9&代入式 %!&!基本可以定量地描
述出压缩量对 ’@7的影响$ 又由于压缩后薄木层积
材颈椎夹板的密度和体积呈反比!因此也可以定量
地描述出压缩后薄木层积材密度对模压颈椎夹板强
度的影响$
>B结果与展望
结合上述理论研究!选用落叶松作为试验树种!
利用实验室设备模压出了薄木层积材颈椎夹板的试
件%图 #&!并委托国家林业局林产品质量检验检测
中心%哈尔滨&检验试件!此试件为非定向铺装形
式!因其材料的铺装是随机的!因此在材料的主平面
内颈椎夹板的弹性模量在理论上应该是相同的$ 经
过检验测试!表明其弹性模量已经达到$ "A% ]IO!
超过优等的人造板材!握钉力可以达到& &$% ,(静
曲强度达到 $#3$ ]IO$ 据此可以推定!如果采用定
向铺装方式!试件的弹性模量将能超过普通 [(?主
>%&
B第 # 期 张B杨等" 薄木层积材颈椎夹板构造机制及其弹性模量计算
方向弹性模量$ 如果进一步改进胶的品种(提高吸
水膨胀率!就可以替代现在的实木和各种碎料板!成
为很有前途的一种新型医用材料$
图 #B薄木层积材颈椎夹板试件
@856#B-NFGOWU2FU8FVFG1SNFEFT1EPUFW127F7 VFTZ8VO2GU28LE
9B结论
&& 通过对薄木层积材颈椎夹板弹性模量的具
体参数分析!将微观力学和木材细胞学引入到薄木
层积材颈椎夹板的力学分析中!为新型医用颈椎夹
板的力学参数计算开辟了新的理论研究途径$
$& 超薄薄木刨切技术将薄木的厚度加工成细
胞外径的 %39$ h&3$A 倍!消除了木材细胞具有的碟
簧效应!去除了木材细胞空腔内物质并用重构压缩
的方式使薄木形成高压缩比和回弹性!可以比较容
易地加工出超过普通木材性能指标(高压缩比的异
型颈椎夹板$
’& 加工过程中薄木层积材颈椎夹板弹性模量
会受到薄木片的尺寸(微米化程度(密度(孔穴压缩
变化率(施胶量(整体铺装状态(胶合程度以及压缩
比等因素的影响!并将这些影响因素与薄木层积材
颈椎夹板形成定量的数学关系与力学表达式!为薄
木层积材颈椎夹板的微观力学研究提供了理论
基础$
参 考 文 献
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滨" 哈尔滨工业大学硕士学位论文6
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!责任编辑B石红青"
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