全 文 ：第 50 卷 第 12 期
2 0 1 4 年 12 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 12
Dec．，2 0 1 4
doi:10．11707 / j．1001-7488．20141223
收稿日期: 2014 － 04 － 10; 修回日期: 2014 － 08 － 14。
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金(DL12C B05，2572014EB04 － 02) ;国家自然科学基金项目(31170517，31200434)。
* 马岩为通讯作者。
木橡胶的动态压缩力学性能及其破坏行为*
杨春梅 吴 哲 马 岩 张亚新 齐英杰 李明宝
(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心 哈尔滨 150040)
关键词: 木橡胶; 动态压缩; 霍普金森压杆; 微观损伤
中图分类号: S781. 7 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)12 － 0161 － 07
Dynamic Mechanical Properties and Micro-Fracture Behavior of Wood Ｒubber
Yang Chunmei Wu Zhe Ma Yan Zhang Yaxin Qi Yingjie Li Mingbao
(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University Harbin 150040)
Abstract: In this paper，by molding the wood fiber and adhesive curing prepared wood rubber，and by doping iron colloid
way in the performance of the modified rubber，rubber wood prepared doping． Using split Hopkinson pressure bar on the
preparation of undoped and doped rubber wood dynamic compression test，then the samples were observed on the macro
impact，results showed that the surface mixed hardwood rubber had higher dynamic mechanical strength and impact
resistance deformation ability． Using scanning electron microscopy microscopic damage morphology after impact specimens
were observed，and through the analysis of the results，found that adiabatic temperature rise on the strength of rubber wood
doping less than undoped rubber wood which come from impact process． When the strain rate of 1 800 s － 1，doping wood
damage in the form of softening rubber wood fiber tear and tensile failure of colloids，mixed hardwood rubber specimen
occurred only 45° splitting failure; Without doping destruction in the form of rubber wood softened colloids even melted，and
thus eventually be crushed rubber wood，wood fiber spreading，the sample overall failure．
Key words: wood rubber; dynamic compression; Hopkinson pressure bar; microscopic damage
我国古人知道木材细胞具有非常好的抗压性，
建造房屋时通常利用木或竹等弹性支撑材料进行减
振和缓振。随着橡胶和塑料的诞生，现在人们基本
用人造橡胶和塑料泡沫来实现这些功能，但在冲击
振动较大的机械设备减振中，人造橡胶和塑料泡沫
还达不到使用要求。为了满足机械领域的实际需
求，提高材料的冲击吸能效果，马岩 (2003)提出了
木橡胶的概念。木橡胶主要由胶和木纤维构成，是
通过胶将木纤维黏合在一起而形成的一种复合材料
(Guo et al．，2013)。马岩(2002b)在进行木材力学性
能分析中发现，木纤维在理论上其单丝强度与普通钢
材近似，优质木材的断裂强度甚至高于许多金属材
料，同时由于木材具有天然的六棱形孔穴结构(马岩，
2002a)，因此木材具备良好的弹性和吸能效果，用木
纤维制备的木橡胶可以起到很好的缓解冲击作用。
木橡胶中的木纤维存在六棱形孔穴结构还会使木橡
胶具备隔绝振动噪音的功能，防噪效果也很好，因此
适用于各类机械设备(Najim et al．，2010)。用木橡胶
制作减震器时，一般根据所需的大小和形状设计出模
具，然后将胶和木纤维均匀混合后放入模具挤压固化
而成(Shukla et al．，2014)。制作时采用的微米长木
纤维厚度是微米级，长短与纤维板的纤维长度相近
(杨冬霞等，2012)。
虽然人们可以预见木橡胶具有优异的冲击吸能
作用，也可以预见其在未来具有广阔的应用前景，但
现阶段人们对木橡胶的基本性能，尤其是在如何经
过适当的掺杂改性来使木橡胶获得最优的性能方面
还了解不够，同时由于木橡胶主要应用于具有冲击
震动的环境，要求其要具有出色的动态力学性能，为
此本文探讨了木橡胶的制造工艺和木橡胶掺杂改性
的工艺(Song et al．，2010)，采用霍普金森压杆对制
备的木橡胶进行动态冲击性能测试，并对冲击后木
橡胶的破坏机制进行研究，为木橡胶的实际应用奠
定理论基础。
林 业 科 学 50 卷
1 材料与方法
试验木材选小兴安岭红松(Pinus koraiensis)，密
度 0. 439 g·cm － 3，含水率 12% ～ 15%。胶黏剂选脲醛
树脂胶，含量为 40%，固化剂 NH4Cl 添加量为 1. 5% ;
脱模剂选黏度等级为 68 ～ 100 的机械油。制备 2 种
木橡胶: 一种在胶中没有掺杂铁粉，称为未掺杂木橡
胶; 另一种为了增加木橡胶的抗变形能力，在胶中掺
杂了体积分数为 10%的铁粉，铁粉的粒径在5 μm以
下，称为掺杂木橡胶(高振忠等，2009)。2 种木橡胶
具体制备工艺基本一致: 首先用切削机切削出厚度
均在 90 μm 以下的刨花，平均厚度为52 μm(当刨花
薄到这个厚度以后就非常柔软)，然后采用揉丝机揉
搓，刨花变成微米厚的木纤维(图 1)，最后将得到的
木纤维与胶充分混合，放入模具中加压固化制成木橡
胶(Hu et al．，2013)。借助扫描电镜(SEM)对制备后
的掺杂木橡胶进行表面微观组织观察(图 2)，可以发
现在木纤维表面铁粉均匀分布，说明铁粉和胶的混合
很均匀，为木橡胶获得优异的力学性能奠定了基础
(张启坤等，2011)。需要注意的是，由于木材不导
电，所以在进行扫描电镜观察前需要在木橡胶试样表
面喷金，以提高其导电性能(Ye et al．，2013)。
图 1 加工后的微米长细丝形态
Fig． 1 The forms of microns long filaments after processing
进行动态压缩试样制备时，将木橡胶制成
10 mm × 10 mm 冲击试样，利用 Hopkinson 压杆(图
3)对试样进行动态压缩试验，应变速率为 1 200，
1 500，1 800 s － 1。冲击试样夹在 2 块高速工具钢制
成的垫片之间，为了减小试样与压杆之间的摩擦，在
试样两端涂抹黄油，每一组试验至少进行 3 次，以确
保试验数据的可靠性(马岩等，2008)。最后采用扫
描电镜(SEM)分析木橡胶动态冲击后的断口形貌，
确定其损伤行为。
图 2 掺杂木橡胶表面的 SEM 照片( a)和能谱分析(b)
Fig． 2 The SEM photograph( a) and EDS of doping wooden rubber surface( b)
图 3 Hopkinson 压杆系统
Fig． 3 The Hopkinson pressure bar system
261
第 12 期 杨春梅等: 木橡胶的动态压缩力学性能及其破坏行为
2 试验结果
2. 1 动态力学性能测试 在准静态压缩条件下，
木橡胶的强度随着作用力的增加而增加，掺杂木
橡胶和未掺杂木橡胶在变形量为 30% 的条件下，
强度均大于 30 MPa，并且都未发生破坏 (鲍甫成
等，2004)。采用霍普金森压杆对 2 种木橡胶进行
动态压缩试验，图 4a 是未掺杂木橡胶在常温条件
下应变率分别为 1 200，1 500，1 800 s － 1的动态压
缩应力 － 应变曲线，可以发现应变率的变化对材
料的流动应力影响很大，说明未掺杂木橡胶对应
变率很敏感;随着冲击应变率的升高，未掺杂木橡
胶的强度增大，应变率为 1 200，1 500，1 800 s － 1
时，材料的流动应力最大值分别为 11. 5，12. 5，
19. 5 MPa。图 4b 是掺杂木橡胶在常温条件下应
变率分别为 1 200，1 500，1 800 s － 1的动态压缩应
力 －应变曲线，可以发现应变率的变化对材料的
流动应力影响很大，说明掺杂木橡胶对应变率很
敏感;随着冲击应变率的升高，掺杂木橡胶的强度
增大，应变率为 1 200，1 500，1 800 s － 1时，材料的
流动应力最大值分别为 13. 0，16. 0，32. 6 MPa。
图 4 动态压缩后木橡胶的应力 －应变曲线
Fig． 4 The dynamic compressed wood rubber stress-strain curves
a．未掺杂木橡胶 Undoped wooden rubber; b．掺杂木橡胶 Doped wooden rubber
通过对掺杂木橡胶和未掺杂木橡胶力学曲线的
对比分析可以发现，在相同应变率的压缩冲击下，掺
杂木橡胶的流动应力最大值都大于未掺杂木橡胶，
说明木橡胶经过掺杂后强度会有一定的提高。
2. 2 动态冲击后的损伤行为 1) 断口宏观观察
对动态压缩后 2 种木橡胶的宏观形貌进行观察，如
图 5a 所示，下排为未掺杂木橡胶动态冲击后的试
样，上排为掺杂木橡胶动态冲击后的试样，中间的数
字代表冲击时的应变率。未掺杂木橡胶在应变率
1 200 s － 1时就出现了明显的表面裂纹，呈 45°劈裂
式破坏趋势(图 5b)。随着应变率的升高，木橡胶的
变形逐渐加剧，最终在应变率1 800 s － 1时完全破坏，
破坏时试样被压扁，木纤维完全散开(图 5c)。
对动态压缩后掺杂木橡胶的宏观形貌进行观
察，可以发现掺杂木橡胶在应变率 1 200 s － 1时没有
发生破坏，只是轴向发生了轻微的变形(图 5a)，变
形程度低于未掺杂木橡胶。随着应变率的升高，木
橡胶的变形逐渐加剧，最终在应变率 1 800 s － 1时发
生了 45°劈裂破坏，破坏的程度不如同应变率条件
下未掺杂木橡胶严重(图 5d)。通过图 5 中几张图
片的对比可以看出，在相同应变率条件下，掺杂木橡
胶试样的变形和破坏要比未掺杂木橡胶试样小很
多，这说明铁粉的加入增加了木橡胶的抗变形能力
和抗冲击能力。
2) 断口微观观察 图 6 为未掺杂木橡胶动态
压缩后的微观破坏形貌。在应变率为1 200 s － 1时，
试样宏观裂纹处的破坏主要是胶的破坏，胶发生了
软化并在外力的作用下被明显拉长(图 6a 中箭头所
示); 同时在裂纹处还发现了木纤维中新出现的撕
裂痕迹(图 6b 中箭头所示)，但比较少，总体上胶的
破坏明显多于木纤维的破坏; 在应变率为 1 500 s － 1
时，试样中的破坏依然为胶的破坏，且胶也发生软化
并被明显拉长，没发现木纤维的撕裂破坏 (图 6c，
d); 在应变率为 1 800 s － 1时，试样的破坏依然是胶
的破坏，依然可以发现胶发生软化被明显拉长的痕
迹(图 6e)，并且在断口多处发现有胶熔化后又凝固
产生的球状胶(图 6f 中箭头所示)，没发现木纤维的
破坏。
图 7 为掺杂木橡胶动态压缩后的微观破坏形
貌。在应变率为1 200和1 500 s － 1时，木橡胶在外
361
林 业 科 学 50 卷
图 5 动态压缩后木橡胶的破坏形貌
Fig． 5 The destruction morphology of dynamic compressed wood rubber
a．木橡胶动态压缩后的破坏形貌 Destruction morphology of dynamic compressed wood rubber; b．未掺杂木橡胶，
应变率 1 200 s － 1 Undoped wooden rubber，strain rate is 1 200 s － 1 ; c．未掺杂木橡胶，应变率 1 800 s － 1
Undoped wooden rubber，strain rate is 1 800 s － 1 ; d．掺杂木橡胶，应变率 1 800 s － 1
Doped wooden rubber，strain rate is 1 800 s － 1 ．
界冲击作用下整体结构保持完整，未发生明显破
坏，只是出现一定的塑性变形，试样表面保持完
整，没有明显的裂纹，也未见胶发生软化后的拉伸
断裂及木纤维的撕裂，胶依旧很好地覆盖在木纤
维的表面(图 7a，b)。在应变率为1 800 s － 1时，试
样发生了 45 °劈裂式破坏，在断口处可以发现有
胶软化后拉伸留下的痕迹 ( 图 7 c 中箭头所示)。
但在断裂处没有发现胶熔化的痕迹，有大量木纤
维撕裂破坏的痕迹 ( 图 7d，e，f 中箭头所示)，这
说明在此过程中冲击强度达到了木纤维的撕裂
强度。
3 结果与分析
木橡胶是通过胶将木纤维黏合在一起而形成的
一种复合材料。动态压缩时由于应变率高，使得该
过程会产生快速剧烈的冲击，试样要同时承受巨大
轴向和径向力的共同作用(Hao et al．，2013)。动态
压缩时胶和木纤维都是载荷的承载体，在冲击的过
程中载荷会在胶和木纤维之间来回传递，谁过早的
失效都会导致裂纹缺陷的出现，进而降低复合材料
的整体强度，加快复合材料的失效 ( Chen et al．，
2013)。因此对于木橡胶来讲，胶体的强度应该与
木纤维的强度接近，这样才能避免木橡胶过早失效，
使木橡胶强度达到最大(Zou et al．，2013)。
对于未掺杂铁粉的木橡胶，动态压缩后试样中
胶的破坏明显多于木纤维，并且随着应变率的升高
木纤维的撕裂破坏消失，破坏只出现在胶体中，还伴
随着胶的熔化现象。这主要是由于材料在高应变率
冲击条件下瞬间会产生大量热量使材料局部区域温
度升高很多，即材料的绝热温升现象 (Woo et al．，
2013)。相对于木纤维，胶对温度更为敏感，当应变
率足够大时，绝热温升产生的温度升高可以使胶发
生软化甚至熔化，导致胶的强度明显下降 ( Lu，
2013)。木橡胶在高应变率冲击下发生熔化区域的
绝热温升可以按照下式计算:
ΔT = ∫
ε f
0
βσ
ρCm
dε。
式中: σ 为材料的流动应力; ε f 为失效应变; β 为塑
性变形功热转化率; ρ 为材料密度; Cm 为比热。由
于同一种材料 β，ρ，Cm 都是定值，因此只需比较材料
461
第 12 期 杨春梅等: 木橡胶的动态压缩力学性能及其破坏行为
图 6 动态压缩后未掺杂木橡胶的微观组织形貌
Fig． 6 The microstructure morphology of undoped wood rubber after dynamic compression
a，b．应变率 1 200 s － 1 Strain rate is 1 200 s － 1 ; c，d．应变率 1 500 s － 1 Strain rate is 1 500 s － 1 ;
e，f．应变率 1 800 s － 1 Strain rate is 1 800 s － 1 ．
在不同应变率条件下的 σ，ε f 值就可以知道材料的
绝热温升大小。
从图 4 中可以看出，随着应变率升高，未掺杂木
橡胶的 σ，ε f 值都逐渐增大，即绝热温升逐渐增大。
在应变率为 1 200 s － 1时，温升较低，胶的强度较高，
胶和木纤维的横向撕裂强度相差不大，所以在未掺
杂木橡胶中可以发现胶和木纤维都出现了破坏;但
当应变率升高时，冲击带来的温升较大，导致胶发生
软化甚至熔化，进而出现胶强度的明显下降，所以此
时的破坏主要发生在胶中( Liu et al．，2013)。胶的
明显软化以及胶的大量熔化会使未掺杂木橡胶保持
其结构完整性的能力严重下降，最终导致木纤维在
胶约束能力下降的情况下散开，使木橡胶整体失效
(Qin et al．，2013)。
从力学曲线和动态压缩试验的破坏观察不难
发现，掺杂了铁粉后木橡胶的抗冲击能力明显高
于未掺杂铁粉的木橡胶。这是由于铁粉均匀地加
入胶中虽然没有提高胶的黏合性，但在冲击的过
程中均匀分布的铁粉分担了部分冲击载荷，进而
提高了胶的整体强度(Chen et al．，2012)。还由于
铁具有高的导热系数，当将铁粉和胶掺杂后胶的
导热系数明显提高，这样在动态冲击时，产生的热
量导出的速度要明显大于未掺杂铁粉的胶，再加
上掺杂铁粉的木橡胶在动态冲击时变形量远小于
未掺杂铁粉的木橡胶，使得冲击过程产生的热量
小了很多。综合上述因素，就使掺杂铁粉的木橡
胶温升要远低于未掺杂铁粉的木橡胶，所以可以
在未掺杂铁粉的木橡胶中发现胶的熔化，而掺杂
铁粉的木橡胶中没有发生胶的熔化 ( Dai et al．，
2010)。结果使冲击过程中掺杂了铁粉的胶强度
下降较小，使得胶与木纤维的横向撕裂强度接近，
这样在动态压缩的过程中胶和木纤维都很好地承
担了载荷，所以掺杂木橡胶的强度高于未掺杂木
橡胶的强度(Higgins et al．，2010)。
561
林 业 科 学 50 卷
图 7 动态压缩后掺杂木橡胶的微观组织形貌
Fig． 7 The microstructure morphology of doped wood rubber after dynamic compression
a．应变率 1 200 s － 1 Strain rate is 1 200 s － 1 ; b．应变率 1 500 s － 1 Strain rate is 1 500 s － 1 ;
c，d，e，f．应变率 1 800 s － 1 Strain rate is 1 800 s － 1 ．
4 结论
掺杂木橡胶和未掺杂木橡胶都对应变率很敏
感，并都具有很高的力学性能，未掺杂木橡胶在应变
率为 1 800 s － 1时，材料的流动应力最大值为 19. 5
MPa; 掺杂木橡胶在应变率为 1 800 s － 1时，材料的
流动应力最大值为 32. 6 MPa。动态冲击时绝热温
升对掺杂木橡胶的强度影响小于未掺杂木橡胶，使
得掺杂木橡胶比未掺杂木橡胶具有更高的动态力学
强度和抗冲击变形能力，所示适当的改性会提高木
橡胶的综合性能。
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(责任编辑 石红青)
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