全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
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林 业 科 学
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3456，$ % & %
木材单根纤维力学性质研究进展!
黄艳辉& 7 费本华& 7 赵荣军$ 7 余7 雁#
（&2 国家林业局北京林业机械研究所 7 北京 &%%%$8；$2 中国林业科学研究院木材工业研究所 7 北京 &%%%8&；
#2 国际竹藤网络中心 7 北京 &%%&%$）
摘 7 要：7 以单纤维力学性能研究的重要性为出发点，综述近年来单纤维力学性能测试的研究进展，针对单纤维拉
伸过程中的纤维制备、夹紧、定向、细胞壁横截面面积测量技术、纳米压痕技术以及间接测量的零距拉伸技术进行
详细评述，并总结单纤维的纵向弹性模量、抗拉强度以及单纤维的蠕变、断裂、疲劳、扭转特性的研究现状，提出下
一步开展单纤维力学研究的建议。
关键词：7 木材；力学性质；单纤维拉伸；零距拉伸；纳米压痕
中图分类号：’9:&2 $；,’9$& ; 2 &7 7 7 文献标识码：-7 7 7 文章编号：&%%& < 9!::（$%&%）%# < %&!" < %9
收稿日期：$%%: < %9 < $#。
基金项目：国家自然科学基金重点项目“木材细胞壁力学性能表征体系构建及应用”（#%9#%%9"）部分内容；国家 8!: 项目“竹木单根纤维
力学性能测试技术引进”（$%%" < ! < &%!）部分内容。
!费本华为通讯作者。
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P14TRC?@，41C@?TE?O，P50LLVLEPOC0? 45E4 0M OBE PE11 Q411 TE4L>5C?@ OEPB?010@S M05 LC?@1E MCNE5 OE?LC1E OEPB?CW>E QE5E
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7 7 木材单纤维是木材、纸张以及纤维复合材料最
重要的构成单元，它赋予纤维类产品优良的力学性
能。由于木材单纤维的尺寸非常微小，针叶材管胞
直径多数在 #% Y !: !T 之间，长度多为 # Y Z TT；
阔叶材木纤维直径多数在 $% !T 左右，长度多为
%2 Z Y $ TT；竹纤维直径多数在 $% !T 以下，长度
多为 $ TT 左右，用常规方法直接测量单纤维的力
学性能十分困难。目前可行的直接测试技术主要有
单纤维拉伸技术和纳米压痕技术，间接测试技术有
零距拉伸技术等。根据近年来的研究进展，从单纤
维拉伸技术、零距拉伸技术、纳米压痕技术以及单纤
维的各项力学性质等方面取得的研究成果展开阐
述，并浅析下一步的研究方向。
&7 单纤维拉伸技术
单根纤维拉伸技术是对化学或机械离析的单纤
维直接进行轴向拉伸的技术，可以得到细胞壁的纵
向弹性模量、抗拉强度、硬度等重要指标。对单根纤
维力学性质的研究最早可以追溯到 &8$Z 年，
H>B1ET4?? 经过初步研究得到了化学离析杉木
（:2%%#%&0.6#. ;.%/"(;.+.）管胞的断裂强度；但他
的研究由于当时试验条件的限制没有引起其他学者
的注意。直到 [14>KCOX 等（&8!9）改进了试验方法，
对脱木素木材纤维的力学特性进行了一系列的研
究，这方面的研究才得到了广泛重视。之后，有关
单根木材纤维力学性质的研究日益增多。345! 第 " 期 黄艳辉等：木材单根纤维力学性质研究进展
（#$%&）总结了其他学者的研究成果，出版了《管胞
的细胞壁力学》一书，标志着管胞（纤维）细胞壁力
学研究体系的初步形成。#$&# 年，加拿大制浆造纸
研究院 ’()* 等（#$&#）在《+(,-.*》发表了单根针叶
材管胞力学特性及其测定方法的报道，引起了制浆
造纸领域和木材科学界的极大兴趣。进入 /0 年代
以后，扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜以及光谱
技术的相继飞速发展，将单根纤维拉伸技术的测试
速度、精度、准确度推向新的高度，单根纤维拉伸技
术日趋完善。$0 年代，研究者将该技术应用到需要
测试大量具有统计意义数据的单纤维变异研究上来
（1.223 !" #$%，#$$4；5005(；50056）。近几年来，研
究继续深入，单纤维拉伸过程中的结构和化学变化
以及影响因素被进一步揭示（ 7-.)*., !" #$8，5004(；
50046；50049）。在单纤维拉伸技术中，纤维的制
备、夹紧、定向、细胞壁横截面面积和微纤丝角测量
是测试中的难点。
!" !# 单纤维的制备
单纤维的制备分为化学方法、物理方法和化学
物理相结合方法。化学方法是利用化学制剂氧化木
质素分离得到单纤维的方法，一般采用过氧化氢或
亚氯酸盐和冰醋酸混合制备离析液，软化分离得到
单纤维。该方法被 :(;<*（#$4$）、’()* 等（ #$&&）、
=>?( 等（#$/@）、1.223 等（#$$4；5005(；50056）众
多研究者使用，其特点是方法简单、制备快速、单纤
维分离彻底。物理方法又称机械方法，7-.)*., 等
（5004(；5004%；50049）使用超精细的镊子在显微镜
下机械剥离得到单根云杉（ &’(!# #)’!*）纤维，指出
该法避免了化学离析造成的细胞壁化学成分变化，
机械扭曲小，测得的单纤维强度大，更适合微拉伸力
学测试，但该法较难掌握。造纸业制浆得到的纸浆
就是用机械的方法、化学的方法或者两者相结合的
方法把各种植物纤维原料离解成大量单纤维组成的
浆液。
!" $# 单纤维的夹紧
单纤维的夹紧有机械夹紧和胶粘夹紧 5 种方
式。胶粘方式并不是直接把纤维粘到加载装置的夹
具上，而是先粘到某种媒介上，再进行加载。理想的
媒介有纸板和醋酸纤维素，理想的胶黏剂为二组分
环氧树脂。机械夹紧需要特制的夹具（ :(;<*，
#$4$；A*>>2)) !" #$%，#$%@；B(32>(<) !" #$%，#$%&），
这种方法可能导致纤维在加载过程中发生滑移和压
溃，以致在断裂前提前失效。C(.D(9E*.（#$%"）证
实机械夹紧方式通常会导致超过一半的试样在夹紧
处断裂，因此，胶粘方式（ F.3?,.2<) !" #$%，#$&&；
C(.D(9E*.，#$&0；’()* !" #$%，#$&5）逐渐取代了机械
夹紧方式。A*.?(G()*（#$&"）开创了胶粘球槽型夹
紧方式，不仅解决了纤维的压溃和滑移问题，而且使
单纤维自由取向，减少了拉伸剪切引起的破坏。之
后，H2,,（#$$4）在纤维夹具和单纤维细胞壁面积测
量 5 方面做了重要改进，显著提高了测量速度和准
确性，使单根纤维拉伸技术在实用性方面迈出了重
要的一步，并且成功应用于研究火炬松（ &’+,*
"#!-#）管胞纵向力学性质的株内变异规律。
!" %# 单纤维的定向
在单纤维纵向拉伸过程中，如果加载时纤维取
向明显偏离加载力的方向，容易造成单纤维发生过
早的拉伸剪切破坏（ =>?( !" #$%，#$/@；H(.E !" #$%，
#$&0），严重影响结果的可靠性。为了避免这种情
况的发生，必须允许纤维在拉伸过程中自由取向。
H9><,2?I 等（#$%/）设计了一个刚性夹具系统，其中
下部夹具悬浮在熔融的铅液上，当纤维取向适合后，
使铅液冷却固定。A(>>3*?（#$%0）设计的夹具系统
则把下部夹具固定在一个可以旋转和倾斜的台子
上，以实现纤维的垂直取向。显然，上述方法的实际
操作非常困难，不具有普遍适用性。’()* 等（#$&5）
将单纤维置于 5 片载玻片之间，干燥后得到了平直
的单纤维，极大地减少了扭转问题对试验结果的影
响。A*.?(G()*（#$&"）在单纤维端头附近滴加环氧
树脂形成球形端头，使纤维在拉伸时可以在球槽型
夹具系统中自由旋转，以减少纤维拉伸剪切偶联导
致的纤维提早断裂失效，该系统显著降低了纤维在
夹紧处断裂的概率，获得的纤维力学强度明显大于
其他方法得到的数值，具有较高的可靠性。后来这
种方法被进一步推广，用于研究木材纤维纵向力学
性质的变异规律（1.223 !" #$%，5005(；50056；H2,,
!" #$%，5005）。
!" &# 单纤维细胞壁横截面面积和微纤丝角测量
为了获得弹性模量、断裂应力、抗拉强度等力学
数据，就必须知道单纤维的横截面面积。以前常采
用在光学显微镜下拍摄一定放大倍数的纤维横断面
照片，再通过测面积的方法得到细胞壁面积。要得
到纤维横断面照片，必须把单纤维包埋在冰、醋酸纤
维素等介质中，再用切片机垂直纤维方向横切
（H9><,2?I !" #$%，#$%/；J*2K2>D，#$%%）。由此可见，
利用普通的光学显微镜测量单根纤维胞壁面积是相
当困难的。还有一些研究者，不直接测量单纤维的
横截面面积，而是通过其他方法间接评估换算得到
（ :*<,L*<，#$%@；J*2K2>D !" #$%，#$%/）。早期单纤维
微纤丝角的测量主要使用偏振光显微镜，例如，’()*
&@#
林 业 科 学 !" 卷 #
等（$%&’）采用光学传感器和偏振光显微镜测量单
纤维拉伸试验中的变形和微纤丝角，将力学性质与
微纤丝角联系起来。()*+,)-./（$%&&）利用扫描电
子显微镜得到了单纤维的胞壁面积；后来，扫描电
子显微镜也被应用于微纤丝角的测量；%0 年代激
光共聚焦显微镜技术的发展，使单纤维胞壁面积的
测量变得既快速又精确，彻底抛弃了单纤维包埋这
一耗时又冗繁的步骤，由于该技术采用快速无损的
激光切面，而且能快速测量单纤维的微纤丝角，因此
近年来得到了广泛运用。
!" #$ 扫描电镜与微型加载装置联用
扫描电镜和微型加载装置联用使管胞动力学的
研究进入新的阶段，为研究复杂的单根管胞断裂机
制提供了可靠的手段，是研究单根管胞微力学性质
的强有力工具。1)23./ 等（$%4"）首次把微型压缩装
置放于扫描电镜内，观察到了单根管胞的压缩破坏
顺序。5-,, 等（$%%"）则是把自制的微拉伸计置于
环境扫描电镜的样品室，在扫描过程中连续捕获不
同加载阶段管胞的数字图像，随后进行数字图像相
关分析，得到纤维表面的微应变分布，结果表明，在
木材纤维的缺陷区域和无缺陷区域，表面位移以及
应变场的分布都是不均匀的，应变集中位置与各种
细胞壁缺陷吻合得相当好。67)/8.97) 等（’0008；
’000:）随后把扫描电镜与微型加载装置联用技术
运用到管胞横向力学性质的研究上，这对于制定和
设计高效节能的热力制浆工艺和设备，以及木材横
纹压缩密实化改性都具有重要的现实意义。
!" %$ 光谱仪的运用
拉曼激光光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪都是
研究单纤维结构以及化学成分变化的强有力工具，
通过特征峰的变化和转移可以在分子水平上研究单
纤维的变形机制。;3<==-). 等（’00$）研究了木材纤
维在纵向拉伸过程中拉曼光谱的变化，发现纤维素
的特征峰发生了明显的转移，而木质素的特征峰没
有发生明显的变化，从而在试验上证明了纤维素是
木材纤维纵向受拉时的主要承载物质。6>)/7), 等
（’00?8；’00?:；’00?<）利用傅里叶变换红外光谱
仪对机械和化学分离的单纤维进行了对比分析，指
出纤维素几乎不受化学软化过程的影响，但该软化
过程导致了中间层木质素的大量移出，而且使细胞
壁次生壁木质素中的芳香族物质降等，得出机械分
离的单纤维更适合微拉伸研究的结论。
’# 零距拉伸技术
@-AA*8.BC8<-:+7.（$%’?）为了得到纸张中的纤
维间结合强度和纤维本身强度，首次提出在两夹具
紧密接触的条件下（零距）对纸片进行拉伸的方法，
之后陆续有学者通过在普通的材料力学实验机上加
装特制拉伸夹头附件的方法进行了一系列可行性研
究，但限于设备原因进展缓慢。’0 世纪 ?0 年代末，
(DD7) 等（$%?4）领导的研究小组研究了零距拉伸
测试的主要影响参数，提出了相关的数学表达式，赋
予了零距拉伸更加科学的内涵；&0 年代初，E>F*8<
公司对零距拉伸复杂的物理力学本质进行了深入的
研究，开发出被制浆造纸业普遍接受的纤维强度测
试专用设备———零距抗张强度测试仪。现在，零距
抗张强度已经成为评价纸张纤维力学性能的一项重
要指标。我国在 $%%! 年也制定了《纸浆和纸零距抗
张强度测定法》的国家推荐标准（ G6 H I ’"&4J !B
%!）。
目前零距拉伸拉伸仪器主要有 ’ 种（ G8,8)3，
’00!）：一种是由 E>F*8< 公司生产的基于载荷控制
原理的零距抗张强度仪，已发展到第 ! 代，可自动打
浆抄片同时测试 ’! 个样品，能得到抗拉强度、纤维
长度、纤维间粘结力等指标；另一种是 5IK 公司生
产的基于位移控制原理的零距拉伸拉伸仪，其最大
特点是夹头间距可达 L **，而 E>F*8< 公司的仪器
只能达到 0J " **。
K,-.7 等（$%"0）为了得到化学制浆纤维的力学
性质而又方便确定纤维的取向度（平行排列纤维的
取向度为 $，理想的三维随机排列的为 $ H L，手抄纸
为 L H 4），将自行设计的零距拉伸夹头加在常规力学
实验机上，对切成 "0 M $!0 !* 厚的造纸用木材薄
片进行测试，然后模拟化学制浆过程对木片进行化
学处理，得到处理后纤维的零距抗张值，与处理前的
零距抗张值进行对比分析，这是零距拉伸技术最早
被应用于木材管胞强度研究的报道。随后 1AN> 等
（$%"’）和 63:F3+（$%"%）等采用类似方法开展了相关
研究。
’0 世纪 &0 年代，随着 E>F*8< 公司零距抗张强
度仪的研制成功，样品的测试速度和零距夹头的夹
持精度有了极大的提高。O8P 等（$%&&）采用零距拉
伸技术研究了白皮松（ !"#$% &$#’()#)）、胶冷杉
（*&"(% &)+%),()）和颤杨（!-.$+$% /0(,$+-"1(%）的管胞
强度轮内变异规律，以及木材密度和夹头距离对管
胞性能的影响。后来，零距拉伸技术的应用范围不
断扩展，包括试样厚度（K-)38.- (/ )+2，$%%"）、含水率
变化（;28.+ (/ )+2，$%44）、温度（;28.+ (/ )+2，$%44）、
不同酸碱度（ QP8+.38D-28 (/ )+2，$%%"）、光老化
（;28.+ (/ )+2，$%44；I>)D>F3. (/ )+2，’00’）等因素对
4!$
! 第 " 期 黄艳辉等：木材单根纤维力学性质研究进展
零距抗张强度的影响研究。
国内在这方面的研究工作开展较晚，余雁
（#$$"）利用零距拉伸技术研究了人工林杉木管胞
的抗拉强度性能和株内轮内的变异规律，初步考察
了管胞纵向力学强度的主要影响因素。
"! 纳米压痕技术
纳米压痕技术又叫深度敏感压痕技术，是近几
年发展起来的一种新技术，它可直接在材料表面进
行加卸载的力学测试，从荷载压痕曲线中实时获得
接触面积，测试精度高，并具有纳米级的空间分辨
率，适于检测微米或亚微米级薄膜或微型材料的力
学性质。%&’’() 等（*+,,）首次使用纳米压痕技术
测量了云杉管胞 -# 层和中间层的纵向弹性模量和
硬度，为研究单根管胞的力学特性开辟了新的途径。
随后，.&/01 等（#$$#；#$$2）使用该技术研究了微纤
丝角和木质化程度对管胞次生壁纵向弹性模量和硬
度的影响。国内江泽慧等（#$$2）在前人研究的基
础上，首次运用纳米硬度测量技术中最新发展起来
的连续刚度测量法，对测定人工林杉木早晚材管胞
细胞壁的纵向弹性模量和硬度的试验技术进行了探
索，结果表明：杉木晚材管胞 -# 层的平均纵向硬度
$3 "+$ .45，弹性模量的平均值为*26 722 .45；早材
管胞 -# 层的硬度和模量小于晚材，平均值分别为
$3 "$8 和 +3 7#" .45。随着竹纤维增强复合材料研
究的发展，竹纤维力学特性的研究将成为又一大研
究领域，余雁等（ #$$"；#$$8；#$$,）、费本华等
（#$$8）使用原位成像纳米压痕技术对竹材细胞壁
的力学特性进行了研究，指出竹纤维细胞壁纵向弹
性模量和横向显著不同，分别为 *83 * 和 93 +* .45，
但是硬度在纵横向差异不大；竹材薄壁组织细胞壁
的纵向弹性模量和硬度分别为 93 7 和 $3 #" .45，只
相当于竹纤维的 "":和 8":；从竹心到竹黄，竹纤
维纵向弹性模量没有显著变化，但硬度呈增加趋势。
2! 单纤维的力学性质
!" #$ 纤维的纵向抗拉强度、弹性模量、硬度
木材是生物性材料，各部分组织构造受生长季
节的影响很大，单纤维自然也不例外。早晚材单纤
维的形状差异非常大，例如杉木早材管胞平均长度
为 #3 #9 ; "3 *" ’’，平均壁厚为#6 , !’，而晚材管
胞平均长度为 #3 28 ; "3 ," ’’，平均壁厚为 93 *
!’，因此，在测量单纤维的力学性质时需要考虑早
晚材纤维的影响。另外，拉伸时单纤维的跨距也是
影响力学性质的重要因素，在研究中必须予以指出。
<5=/(（*+9+）等利用机械夹紧方式以 #3 9 ’’ 为跨
距，测得白云杉（!"#$% &’()#(）早材管胞的平均抗拉
强度和杨氏模量分别为 9#" 和 #9 ##* >45，而晚材
的平均为 98+ 和 "9 $8$ >45；花旗松（!%$)*+,%)&(
-$./"$%""）早材管胞的平均抗拉强度和杨氏模量分
别为 "2" 和 *, ,87 >45，而晚材的平均为 +9* 和
2# 8", >45。受当时试验条件的限制，<5=/( 所得的
平均值只是 , ; *$ 根管胞的平均值。?5’@15/A 等
（*+8,）测了 *, 种阔叶材纤维的强度和硬度，指出
测得值与胞壁面积和微纤丝角高度相关。随着科学
技术的发展，测试精度和速度不断提高。.)@@’ 等
（#$$#5）测得化学离析的落叶松（ 0(1"2 &-$’".""）晚
材纤维的弹性模量和最大抗拉强度范围分别为 83
99 ; #,3 9 .45 和 2*$ ; * 2## >45。B@’C(115 等
（#$$#）自主设计了微拉伸装置，研究得到棉花和木
基纤维素纤维的杨氏模量分别是 2 和 # .45，基于
韦布尔分布的数据分析得到它们的抗拉强度分别是
2+8 和 *82 >45。DE)A()F 等（#$$#；#$$95；#$$9G）
在一系列研究中指出，化学离析的云杉管胞力学性
能比机械分离的弱 2 倍，得到以 $3 + ’’ 跨距测量
的机械分离的管胞细胞壁最大抗拉强度为 * *78
>45，最大弹性模量为 ## 8$$ >45。影响力学性质
的因素有纤维本身的因素，如胞壁面积和微纤丝角，
还有加工及纹孔等自然缺陷。另外，单纤维拉伸过
程中的温湿度的保持也是该研究的一大难点。H((
等（#$$,）运用单纤维拉伸和纳米压痕技术对 H=@
纤维的力学和蠕变性能进行了测定，得到其拉伸模
量为 *#3 82 .45，硬度为 $3 " ; $3 2" .45。
!" %$ 单纤维的蠕变性能
蠕变是指应力不变，应变随时间变化的性质。
有关单纤维蠕变的 研 究 始 于 *+8, 年，I&GJ5)0
（*+8,）以长叶松（ !".)% 3(’)%,1"%）晚材纤维为试验
材料，分别在 *$，*9，#$，#9 A 拉伸力下作用 *#，#2，
27 J，并把作用前后的结晶度用 K 射线衍射进行分
析，结果表明：在拉伸过程中有 # 种结构行为被观
察到，一是纤维内应力发生了重新分布，一是不发生
重新分布，应变与时间的对数成线性相关。研究还
指出，随着蠕变变形的增加，抗拉强度、弹性模量、破
坏强度也跟着增加达到一个极限值，但最大位移继
续减小；在变形的最初阶段，纤维的长度和力学性
质很容易恢复，但随着变形的增大，纤维结构发生变
形，导致纤维的长度和力学性质发生不可恢复的永
久性的改变；通过 K 射线衍射分析，得知纤维素在
拉伸过程中取向度提高。L1M5 等（*+72）选择同一
纤维分别对干态和湿态条件下的蠕变行为进行了连
+2*
林 业 科 学 !" 卷 #
续测试，蠕变应力分别为 $" 和 !$ %&，拉伸时间为
’! (，结果认为，随着受力和纤维湿度的增加，蠕变
变形也不断增加；蠕变初期，变形较小，随后，变形
较大，蠕变的对数与纪录时间线性相关。)** 等
（’++,）运用纳米压痕技术对 )-. 纤维的蠕变性能
进行了测定，试验应力为 $ +++ !&，受力时间为
’++ /，位移在受力时间内增加了 "’ 0%，硬度却明显
减小。
!" #$ 单纤维的断裂性能
断裂是单纤维重要的力学性质，是优化制浆工
艺的参考因子，也是单纤维作为工程材料安全设计
中必须考虑的一个重要因素。扫描电子显微镜以及
环境扫描电镜的使用使研究者（ 12%/32.04 !" #$%，
$5,,）能快速并清楚地观察到单纤维各个壁层的断
裂表面，并能观察到断裂表面的纹孔、裂隙等缺陷。
6.33（ $557）、6.33 等（ $55"）和 8(9:*2 等（ $55"；
$55,）把自制的微拉伸计置于环境扫描电镜的样品
室，结合数字图像相关分析技术得到单纤维的断裂
特性：对天然态（ ;<24<0）单纤维，纹孔是控制断裂位
置的最重要因素，在无纹 孔 的 情 况 下 微 压 缩
（%<=2.=.%>2*//<.0/）将变为控制断裂位置的关键因
素，纹孔断裂分贯穿纹孔和在纹孔上下附近断裂 ’
种类型，后者更为常见，8$ 层和 8’ 层同时断裂；对
再循环（ 2*=-=:*?）单纤维，断裂的发生更倾向于纹孔
上下附近和大的加工诱导缺陷的位置，断裂时间较
天然态单纤维长，断裂传播过程中的宽度也比天然
态单 纤 维 大，8$ 层 先 于 8’ 层 断 裂；对 次 生
（ /*=.0?92-）木纤维，断裂宽度比天然态单纤维大，
8$ 层发生的断裂早于再循环单纤维。研究还指出，
断裂经常发生于应力集中区域，而纹孔附近的微纤
丝角变化非常大，应力集中严重，边界纹孔和并排双
纹孔则大大加剧了断裂的提前发生。树脂纤维由于
树脂的存在弥补了纤维的弱化区域，其断裂表面非
常整齐，不分层；成熟的微纤丝角小的黑云杉（&’(!#
)#*’#+#）晚材单纤维，呈现碎片状（ @2A/(）断裂
表面。
!" !$ 单纤维的疲劳特性
单纤维在循环受力条件下的疲劳特性是研究的
重要内容。B9::%*/ 等（$5""）在循环荷载条件下观
察到了单纤维的应变强化现象，随着循环数量的增
加弹性模量不断增加，受试验条件限制，研究者只能
在室内温湿度条件下将拉力循环 C D " 次。B<% 等
（$5,7）发现纤维在附有拉伸条件下的干燥过程中
会发生强化现象，强化的原因是由于在拉伸过程中
纤维间发生了剪性流动，该流动一方面使不规则的
结构趋于一致，引起拉伸的初期强化，另一方面使微
纤丝角进一步减小，导致强化继续增加。E<:? 等
（$555）利用球槽型夹紧系统将纸浆中单纤维的受
力循环增至 "+ 次，试验温度提高到 $++ F，湿度提
高到 $++G，结果也发现了循环初期单纤维强烈的
滞后和硬化现象，经过长期的疲劳测试，研究者指出
纤维硬度随着受力循环次数的对数而线性增加，纤
维在疲劳测试条件下展现的蠕变行为与恒定力测试
条件下相似。E<:? 等指出初期强化的原因不单是
B<% 等提出的纤维间剪性流动，还有最主要的原
因———纤维内结构的改变，认为 8’ 层内微纤丝之间
的化学键和周围的晶体发生弱化，这些直接导致微
纤丝角的减小和弹模的增加。
!" %$ 单纤维的扭转性能
单纤维以及木材或纸张的薄片在干燥过程中容
易发生卷曲扭转，这会使试样在拉伸过程中提前发
生剪切破坏，严重影响试验结果。H<::在计算纸浆纤维的干缩和扭转性能时考虑了细胞壁
次生壁结构和微纤丝取向的影响。 IA24*23 等
（’++7@）研究了机械和化学分离纤维的扭转性能，
并计算得出了扭转角和 8’ 层微纤丝角之间的换算
模型，指出扭转角随微纤丝角的变化曲线为倒抛物
线，该抛物线的对称轴为微纤丝角等于 !7J的竖直
线，即微纤丝角等于 !7J时，扭转程度最大。
7# 展望
随着单纤维拉伸技术的不断发展，有关单纤维
研究的奇思妙想必将层出不穷，百花齐放；随着全
球环境的不断恶化和木材资源的不断减少，有关再
生纤维、再循环纤维以及竹纤维的研究必将被提上
日程，成为新的研究热点。
木材单纤维力学性质研究虽然取得了一定的成
果，但真正的研究工作才刚刚开始，综合学科发展和
研究趋势，提出几点深化研究的建议：$）单纤维拉
伸技术有待进一步发展。虽然球槽形夹紧方式比较
完美地保证了拉力方向和纤维方向的一致性，大大
提高了放样和测试成功率，但是单纤维拉伸的测试
过程仍然非常复杂和耗时，测试成功率也较低，因此
有必要发展新的放样和夹紧方式，比如机械手放样、
静电场诱导纤维取向等。另外，制样时，向单纤维两
端滴胶的过程中，如何绕开胶滴部位附近区域的纹
孔，从而避免拉伸过程中由该处纹孔引起的端断，这
是在实体显微镜下难以解决的，现有的方法是拉断
以后放到电镜下或是激光共聚焦显微镜下观察，以
便在数据处理过程中排除，如何在胶滴时解决需要
+7$
! 第 " 期 黄艳辉等：木材单根纤维力学性质研究进展
以后认真考虑。最后，单纤维拉伸技术和其他仪器
联用将是研究单纤维力学性质的又一发展方向。
#）单纤维力学性质研究有待进一步深化。目前，该
项研究还处于初级阶段，仅得到了荷载条件下的力
学数据和以及对数据的初步分析，仅仅分析了影响
力学性质的主要因素，没有将这些因素结合起来深
入分析单纤维拉伸过程中的结构化学成分变化以及
影响单纤维扭转、断裂、疲劳破坏的深层机制揭示出
来。"）单纤维拉伸技术最好与零距拉伸以及纳米
压痕技术联合起来，共同取长补短、以易代繁，促进
该项研究的快速发展。例如，找到零距拉伸以及单
纤维拉伸技术之间的转换参数，利用快速简便的零
距拉伸技术代替比较耗时的单纤维拉伸技术。再例
如，将显微近红外光谱引入，建立单纤维力学性质以
及其他各项性质的预测模型，快速无损评价单纤维
甚至活立木单纤维的各项物理力学化学解剖性质。
$）单纤维力学的发展可以参照与其结构相似的生
物力学以及人体骨骼力学的试验手段和方法，引入
相关学科的思想、方法、理论、模型。纳米压痕技术
最开始应用在人体骨骼的力学性能研究上，后来被
应用到木材细胞壁力学的研究上来，同理，随着多学
科的相互渗透，相关学科的新思想、新技术、新手段
若能适用于木材研究，则必将促进木材研究领域的
发展。%）木材单纤维是生物多样性材料，变异性
大、结构不均匀，因此，有限元法以及复合材料细观
力学的研究方法将是单纤维力学性质研究继续深入
的必要途径，应将其运用到单纤维的研究中来。
参 考 文 献
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%8’ $367’74L- E**& M*O7*H*’，S<（!）：（责任编辑 # 石红青）
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