全 文 ：第 !" 卷 第 ## 期
$ % # % 年 ## 月
林 业 科 学
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响叶杨细胞壁尺寸参数及其纳米压痕特性
周兆兵#4徐朝阳#4张4洋#4王思群$
"#3南京林业大学木材工业学院4南京 $#%%5:# $3美国田纳西大学林产品中心4诺克斯维尔 5:66" >!8:%$
摘4要!4利用原子力显微镜对响叶杨细胞的特征参数与形貌进行分析!并对响叶杨细胞壁表面的纳米压弹性进
行测量& 结果表明’响叶杨细胞横截面的壁厚平均尺寸为 $1$5% -;# 壁长平均尺寸为 61!67 -;# 细胞外径为
61%$5 9$"17%$ -;!平均尺寸为 #61:$5 -;# 响叶杨细胞壁 &$ 层"大约位于细胞壁的中部$上的压痕点为有效测试
值!其平均弹性模量和硬度可以用来代表细胞壁的纵向硬度和弹性模量!即所选择的响叶杨细胞壁的平均弹性模
量和硬度分别为 #718$ OkG和 !:7186 ]kG&
关键词’4原子力显微镜# 纳米压痕# 响叶杨# 弹性模量# 硬度
中图分类号! &:7#1$6444文献标识码!,444文章编号!#%%# >:!77#$%#%$## >%#57 >%"
收稿日期’ $%%6 >%! >%## 修回日期’ $%%6 >%: >$$&
基金项目’国家自然科学基金"5%":#"!%$ &
E(F.)/(")!&,&F.’.,/&)H=/E H=G/ZDIJ#4[E H=G/NGIJ#4H=GIJBGIJ#4LGIJ&DQEI$
"#I@$%)6)$&[$$1 !"4)0")/01 F)"#0$%$6,! O/0B406 ’$()*+(,7048)(*4+,4O/0B406 $#%%5:#
$IF)00)**))’$()*+?($15"+*@)0+)(! 7048)(*4+,$&F)00)**))4:0$G84%)5:66" >!8:%! 7!3$
78/’,&-’’4,T/;DRX/VRM;DRV/WR/SMGIU IGI/DIUMITGTD/I =G2MZMR/;MD;S/VTGITT//0WX/VT=MVMWMGVR= /XY//U ;GTMVDG0GT
;DRV/GIU IGI/^0M2M0WRG0M3(I T=DWSGSMV! T=MR=GVGRTMVDWTDRSGVG;MTMVWGIU IGI/DIUMITGND/I /X?$25%5*/1)0$2$1/ RM0
YG0YMVM;MGWEVMU ZGWMU /I ,@]GIU DIUMIT/V3+=MVMWE0TWW=/YMU T=GTT=M;MGI YDUT= /X?I/1)0$2$1/ RM0YG0YGW
$1$5% -;! T=M;MGI 0MIJT= YGW63!67 -;! GIU T=M;MGI UDG;MTMVYGW#63:5$ -;3+=MDIUMITW;GUM/I T=M&$ 0GNMV/X
?I/1)0$2$1/ RM0YG0! T=M;DU Y^DUT= /XT=MRM0YG0! YMVMG0MXMRTD2MIGI/DIUMITGTD/I TMWTW! Y=DR= R/E0U ZMEWMU T/
VMSVMWMITT=MM0GWTDR;/UE0EWGIU =GVUIMWW/XT=MY=/0M?I/1)0$2$1/ RM0YG03+=M;MGIW/XM0GWTDR;/UE0EWGIU
=GVUIMWW/X?I/1)0$2$1/ RM0YG0YMVM#738$ OkGGIU !:7386 ]kG! VMWSMRTD2M0N3
9.: ;",44当前!从分子%超分子甚至粒子水平研究材料结
构与性能之间的关系已成为材料科学发展的前沿"张
联盟等!$%%!$& 木材科学的发展也必须遵循这种研
究方法& 因为!从宏观上讲!木材作为一种非均质的%
各向异性的天然高分子材料!但如从微观角度上来
看!这种非均质性及各向异性在一定程度上可以弱
化& 因此!随着木材和木质复合材料在工程上的广泛
应用!木材力学的研究内容也越来越深入!在对木材
宏观力学行为研究的同时!也广泛进行了木材细观力
学和微观力学行为的研究"张璧光!$%%!$&
纳米压痕技术是纳米尺度材料性能检测与表征的
重要技术!而原子力显微镜",@]$由于具有很高的空
间分辨能力!可实现材料表面原子级别的形貌分析&
如何在微i纳米尺度下应用原子力显微镜及纳米压痕
技术来研究木质材料成为了国内外不少研究团队探索
的热点& 目前国内外研究主要包括 $ 个方面"周兆兵
等!$%%7$’一是材料表面形貌%相结构的表征!在微米%
纳米的范围内获取图像# 二是木质材料细胞壁的力学
性能!如硬度%弹性模量和屈服强度的测量&
本文运用 ,@] 技术来分析响叶杨 "?$25%5*
/1)0$2$1/$细胞壁形貌及尺寸特性!并对响叶杨细
胞壁表面的纳米压弹性"主要指弹性模量和硬度$
进行测试与表征& 目的在于获取响叶杨细胞壁的基
本特征参数及其微观力学性能!为木材及木质材料
复合与功能性改良提供理论支持&
#4材料与方法
=C=>材料与主要仪器
响叶杨!#" 年生!采自江苏省徐州市铜山张集林
场!在胸高 #15 ;处切取一 8 R;厚的圆盘!直径约
5% R;&按年轮划分!响叶杨横截面上由内向外!年轮
# 9"为幼龄材!: 96 为过渡材!#% 9#" 为成熟材"李坚
4第 ## 期 周兆兵等’ 响叶杨细胞壁尺寸参数及其纳米压痕特性
等!#666$& 相比之下!成熟材的变异性较少!因此本文
试件制备用材选取成熟材区的第 #5 个年轮段& 由于
取自相同年轮!因此可以认为试样具有相似的物理性
质和化学组分&
图 #4,@]表面形貌原始图像的斜度校正处理
@DJ3#4k=/T//X,@]WRGIIDIJZMX/VMGIU GXTMVZMDIJ;/UDXDMU
G3原始 ,@]图像"平面与三维$oVDJDIG0,@]S=/T/" S0GIMGIU T=VMM^UD;MIWD/IG0$ # Z3斜度校正后的 ,@]图像"平面与三维$
,@]S=/T/GXTMVZMDIJ;/UDXDMU " S0GIMGIU T=VMM^UD;MIWD/IG0$3
仪器主要为’真空干燥箱%超薄切片机"-lC^$#77!
瑞典$%原子力显微镜"[)^#%% 型!韩国 k&(,公司$%纳
米压痕仪"*GI/(IUMITMV[k!美国]+&公司$等&
=CB>试样制备
试样包埋’用锋利刀片从第 #5 年轮的晚材部分
切取横截面尺寸为 8 ;;m# ;;%长为 8 97 ;;的
较小木片!用 &SEVV树脂"&SEVV!#6"6$放入真空干燥
箱内进行 $! = 浸注渗透包埋!待木片均沉入树脂中
后将烘箱升温至 :% j对树脂进行加热固化!时间约
为 7 =!固化后的样品为长条形包埋块&
试样抛光’由于纳米压痕仪及原子力显微镜测
试对试样表面的光洁度有极高的要求!所以包埋块
的表面"横切面$需要用超薄切片机抛光& 先将包
埋块含有试样的一端用砂光机加工成梯形!然后固
定在一个圆柱形塑料块上!以便切片机进行夹持&
抛光时的进刀厚度为 # -;&
=CD>微观力学性能及表面形貌的表征
本文运用纳米压痕仪进行试件表面微观力学性能
测试!并采用原子力显微镜",@]$来表征其形貌图像&
纳米压痕技术的理论计算方法是 #66$ 年
o0D2MV^k=GVV提出的!所用的仪器为美国 ]+& 公司的
*GI/(IUMITMV[k"]+& &NWTM;W’/VS1! oGd ADUJM!
+*! p&,$!使用的是金刚石 CMVd/2DR= 压头!试样的
硬度 9和弹性模量 <可通过电脑程序直接得出&
测试时!直接将抛光后的圆柱体试件固定到纳米压
痕仪的样品台上& 为了确保有足够的压痕作用于细
胞壁!本文中每次试验的压痕数设定为 #%% 点"#% m
#% 的矩阵!间隔为 8 -;$!这样可同时获取样品横
截面的各个部位的数据值& 在对响叶杨细胞壁进行
的每个压痕试验中!弹性模量和硬度的深度预设值
均为 $%% I;& 压痕试验的操作程序共分为 ! 个部
分"[DIJ)+/%I! $%%7$’将压头以 #% I;(W>#的速度移
65#
林 业 科 学 !" 卷4
向试样表面# 以 8 I;(W>#的速度压向试样!直至到
达设定的位移深度为止# 在最大位移处保持 5% W#
然后以 #% I;(W>#的速度进行卸载& 整个试验过程
中!温度保持在 $# j!相对湿度为 "%a!整个测试
过程由计算机控制完成&
图 $4响叶杨细胞壁厚度尺寸测量
@DJ3$4]MGWEVM;MITW/X?I/1)0$2$1/ RM0YG0YDUT=WZGWMU /I ,@]
G3横切面 ,@]图像 ,@]S=/T//XTVGIW2MVWMWMRTD/I#
Z3,@]图像中 ,区细胞壁测量 ]MGWEVM;MIT/XRM0YG0YDUT=WZGWMU /I ,@] ",GVMG$3
原子力显微镜表征纳米压痕形貌图像时!直接
将其用双面胶固定在钢制样品垫上!再放置在样品
台上"磁铁固定$进行扫描& ,@]图片获取后!再利
用 ,@]配套图像分析软件 "[()#18$进行处理分
析& 得到原始的形貌图像之后!图像处理主要步骤
如下’第 # 步是斜度校正"W0/SMR/VVMRTD/I$!为的是
消除样品倾斜或弯曲"极小程度$造成的图像失真!
通过软件的拉平"X0GTMI$功能可以方便地消除 G! ,
方向的图像倾斜# 第 $ 步是消除噪声!保证图像的
真实性# 第 5 步根据需要还可以对图像进行滤波%
放大%灰度转换%改变像素以及切面%输出 5K图像
等操作& 处理图像结束后得到了相对真实的表面形
貌图!再直接进行分析& 图 # 是一组木材横切表面
斜度校正处理前后的表面形貌图"扫描速率与扫描
力分别为 %18 F‘和 #1%7 I*$&
$4结果与讨论
BC=>响叶杨细胞壁表面形貌及其厚度%长度等特征
参数
图 $!5 为 ,@]扫描的响叶杨表面形貌图及细
胞壁厚度%长度尺寸测试图& 此处!细胞壁厚度是指
包含 &$至 &5层各层的细胞壁的横向有效宽度!而细
胞壁长度则表示包含 &$至 &5层各层的细胞壁两拐
点间的纵向有效距离& 仿照正六边形外接圆的原
则!细胞外径是指各细胞最大边界间的直线距离!如
%!#
4第 ## 期 周兆兵等’ 响叶杨细胞壁尺寸参数及其纳米压痕特性
图 54响叶杨细胞壁长度尺寸测量
@DJ354]MGWEVM;MITW/X?I/1)0$2$1/ RM0YG00MIJT= ZGWMU /I ,@]
图 !4响叶杨细胞外径尺寸测量
@DJ3!4kVDIRDS0MGIU ;MGWEVM;MITW/X?I/1)0$2$1/ RM0
YG0UDG;MTMVW
图 ! 所示& 表 # 为响叶杨细胞壁的基本尺寸统计&
由表 # 可知’ 所测响叶杨细胞横截面的壁厚尺寸为
#1#$" 951%7$ -;!平均尺寸为 $1$5% -;# 壁长为
51#68 9#61%%! -;!平均尺寸为 61!67 -;# 细胞外径
为 61%$5 9$"17%$ -;!平均尺寸为 #61:$5 -;& 冯冰
"$%%:$测量了文县响叶杨的基本尺寸分别为导管壁
厚 $1" -;!平均木纤维长 # $%6 -;!宽 $#1%8 -;!长
宽比 8:1!!壁厚 $15: -;!胞壁直径 #"15 -;!壁腔比
%1$6#& 比较而言!本文的测量数据较为合理&
BCB>有效压痕的确定及细胞壁弹模与硬度的评价
由于细胞壁厚度较薄! 纳米压痕点的设定是固
表 =>基于 7K3 图像测量的响叶杨细胞尺寸
2&8?=>3.&/$,.F.)’"0*=":’/+,+:" -.%<(F.)/(")/8&/.<")7K3 (F&6./
细胞参数
kGVG;MTMVW/XRM0YG0
平均值
]MGI 2G0EMi-;
标准差
&TGIUGVU UM2DGTD/I
相关系数
’/VVM0GTD/I R/MXDRDMIT
测量次数
,;/EIT
最大值
]G_12G0EMi-;
最小值
]DI12G0EMi-;
壁厚 LDUT= $1$5% $1!": 81887 #$ 51%7$ #1#$"
壁长 -MIJT= 61!67 51:"$ 517!# 8% #61%%! 51#68
外径 KDG;MTMV #61:$5 "1!$! "1!#8 ## $"17%$ 61%$5
定的!因此并不是每个压痕都可以精确无误地打在
细胞壁上!有的压痕会落在细胞腔或胞间层中的树
脂上!有的则会落在 &$与 &#或 &5层的交界上& 各个
压痕点的数据不一!需要对有效压痕进行分析!以判
断哪些压痕点的实测值能正确定评价细胞壁的弹性
模量与硬度&
众所周知!木材的微观结构中!细胞壁的 &$ 层
占整个细胞壁厚度的 7%a左右!并且具有较小的纤
丝角!对细胞壁的纵向弹性模量起支配性作用
"@MIJM0)+/%I! #6:5$!因此 &$ 层上的弹性模量与硬
度应该比其他部位上的更有意义&
图 8 所示为响叶杨细胞表面压痕形貌图"扫描速
率与扫描力分别为 %1$8 F‘和 %15%: I*$& 由图示分
析可知!可以把样品表面划分为细胞壁 &$ 层区 ,%胞
腔内外树脂区 C和 &$ 层与 &# 或 &5 交界区 ’等 5 个
区域& 所统计的压痕点的数量及数值见表 $&
#!#
林 业 科 学 !" 卷4
图 84响叶杨细胞表面压痕形貌
@DJ384,@]D;GJMW/XDIUMITMV/I ?I/1)0$2$1/ RV/WW^WMRTD/I
表 B>不同区域压痕点的数量及数值统计
2&8?B>@’&’(/’(-"0()<.)’.,#"()’/()’+,..,.6(")/
区域 ," &$ 层$
H/IM," &$ 0GNMV$
区域 C"树脂$
H/IMC"VMWDI$
区域 ’"各交界处$
H/IM’"DITMVXGRMW$
弹性模量
)0GWTDR;/UE0EWiOkG
硬度
FGVUIMWWi]kG
弹性模量
)0GWTDR;/UE0EWiOkG
硬度
FGVUIMWWi]kG
弹性模量
)0GWTDR;/UE0EWiOkG
硬度
FGVUIMWWi]kG
平均值 ]MGI 2G0EM #718$ !:7186 "1!7 $5%1%$ #81#6 !7$15:
标准差
&TGIUGVU UM2DGTD/I
#1!56 %1%56 $1%7" %1#%8 $18%5 %1%:8
相关系数
’/VVM0GTD/I R/MXDRDMIT
:1:"6 71%7" "1!5: :1##5 #$1756 ##166#
数量 ,;/EIT 5" 5" !5 !5 $# $#
最大值 ]G_12G0EM $71#8 86515! #$17# 5$51%6 $"1$8 86$16!
最小值 ]DI12G0EM #81"" !5!1": $158 "%1## #51#8 5!:1:#
44由表 $ 可知!5 个区域的平均压痕值比较如下’
弹性模量分别为区域 ," #718$ OkG$ f区域 ’
"#81#6 OkG$ f区域 C""1!7 OkG$!而硬度分别为
区域 ’"!7$15: ]kG$ f区域 ,"!:7186 ]kG$ f区
域 C"$5%1%$ ]kG$& 无论是弹性模量值还是硬度
值!区域 C"树脂$处均为最小的!因此可以说明!所
浸渍的树脂不会对木材细胞壁的压弹性产生影响&
这一点和 LD;;MV等"#66:$%江泽慧等"$%%!$的观
点一致& 弹性模量值比较中!区域 ," &$ 层$最大!
而硬度值比较中!区域 ’"各交界处$最大& 原因可
能在于’木材细胞壁纵向压弹性中的弹性模量高度
依赖微纤丝角"LD;;MV)+/%I! #66:$!而其硬度和木
材密实程度是正相关的"C/UDJ!#6"8$& 区域 ," &$
层$处的纤维素微纤丝排列较规则!而区域 ’"各交
界处$处较复杂& 因此可以认为 &$ 层上的压痕具有
研究意义!有效的压痕应该是位于 &$ 层上的压痕!
即大约位于细胞壁的中部& 分析细胞壁的纵向弹性
模量和硬度应以 &$ 层上的压痕测试为准!即落在 &$
层上的压痕数据均为有效测试值!各点的测试值平
均后可作为细胞壁力学性能的代表&
根据表 $ 可知’ 响叶杨细胞壁 &$ 层上的平均
弹性模量和硬度分别为 #718$ OkG和 !:7186 ]kG&
LE 等"$%%6$采取同样的的仪器和方法对同样的响
叶杨进行了测试!所取得的平均弹性模量和硬度分
别为 #"16 OkG和 !6% ]kG& 相比较而言!硬度值是
合理的!但弹性模量值偏大& 原因可能在于纳米压
痕性能中的弹性模量受微纤丝影响较多"LD;;MV)+
/%I! #66:$!LE 等"$%%6$的弹性模量不仅包括 &$ 层
上的压痕数据!还包括了 &$ 层与 &# 或 &5 交界区上
的压痕数据!后者的数据值较低!从而使得平均值降
低了& 而纳米压痕性能中的硬度则和细胞壁的密实
程度正相关"C/UDJ!#6"8$!因此!相比较而言!硬度
值相差不大&
54结论
本文利用原子力显微镜对响叶杨细胞的特征参
数与形貌进行了分析!并对响叶杨细胞壁表面的纳
米压弹性进行了测量& 原子力显微镜所测得响叶杨
细胞横截面的壁厚尺寸为 #1#$" 951%7$ -;!平均
尺寸为 $1$5% -;# 壁长为 51#68 9#61%%! -;!平均
尺寸为 61!67 -;# 细胞外径为 61%$5 9$"17%$ -;!
平均尺寸为 #61:$5 -;& 通过原子力显微镜对响叶
杨细胞表面压痕形貌图的分析!响叶杨细胞壁 &$ 层
"即大约位于细胞壁的中部$上的压痕点为有效测
$!#
4第 ## 期 周兆兵等’ 响叶杨细胞壁尺寸参数及其纳米压痕特性
试值!其平均弹性模量和硬度可以用来代表细胞壁
的纵向硬度和弹性模量!即所选择的响叶杨的细胞
壁平均弹性模量和硬度分别为 #718$ OkG和 !:7186
]kG&
参 考 文 献
冯4冰3$%%:3文县响叶杨材构造特征及木纤维特性的研究3甘肃
农业大学学报!!$""$ ’#5# >#553
李4坚!刘一星!崔永志!等3#6663人工林杉木幼龄材与成熟材的
界定及材质早期预测3东北林业大学学报!$:"!$ ’$! >$73
江泽慧!余4雁!费本华!等3$%%!3纳米压痕技术测量管胞次生壁
&$层的纵向弹性模量和硬度3林业科学!!%"$$ ’##5 >##73
张璧光3$%%!3木材科学与技术研究进展3北京’中国环境科学出
版社3
张联盟!黄学辉!宋晓岚3$%%!3材料科学基础3武汉’武汉理工大学
出版社3
周兆兵!张4洋!王思群3$%%73基于 ,@]的木质材料纳米压痕技
术3林产工业!58"$$ ’$5 >$:3
C/UDJ\3 #6"83 +=MMXMRT/XGIGT/;N/I T=MDIDTDG0WTVMWW^WTVGDI
VM0GTD/IW=DS DI TVGIW2MVWMR/;SVMWWD/I3@/VkV/U \! #8 " 8 $ ’ #6:
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@MIJM0K! &T/0]3#6:53~ZMVUDM.MVsIUMVEIJUMWHM0QEMVWR=IDTW!
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LD;;MVA! -ERGWC*! o0D2MVL’! )+/%I#66:3-/IJDTEUDIG0=GVUIMWW
GIU B/EIJ|W;/UE0EW/XWSVERMTVGR=MDU WMR/IUGVNYG0WEWDIJ
IG;/DIUMVTGTD/I TMR=IDQEM3L//U &RD+MR=I/0! 5#"$$ ’#5# >#!#3
LE B! LGIJ&! H=/E K! )+/%3$%%63pWM/XIGI/DIUMITGTD/I GIU
&D02D&RGI T/UMTMV;DIMT=M;MR=GIDRG0SV/SMVTDMW/X#% =GVUY//U
WSMRDMW3L//U @DZMV&RD! !#"#$ ’"! >:53
[DIJ’! LGIJ&! k=GVVO]! )+/%I$%%73)XMRT/XT=MV;/^;MR=GIDRG0
VMXDIDIJSVMWWEVM/I T=MSV/SMVTDMW/XY//U XDZMVWGW;MGWEVMU ZN
IGI/DIUMITGTD/I GIU GT/;DR X/VRM ;DRV/WR/SN3 F/0‘X/VWR=EIJ!
"$"$$ ’$5% >$5"3
!责任编辑4石红青"
5!#