全 文 ：第 v|卷 第 x期
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林 业 科 学
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管胞细胞壁力学研究进展评述
余 雁 江泽慧 任海青 费本华
k中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 对国外管胞细胞壁力学的研究历程和现状作了较为全面 !详细的评述 o重点介绍了管胞主要力学性
质的实验测定方法和一些重要的细胞壁力学模型 o最后对我国木材科学界如何开展管胞胞壁力学研究提出
了几点建议 ∀
关键词 } 单根木材纤维 o细胞壁 o力学性质
收稿日期 }ussu p sv p st ∀
基金项目 }国家重点基础研究发展规划k|zvl资助kŠt|||stysstl ∀
Α ΡΕςΙΕ Ω }ΧΥΡΡΕΝΤ ΙΝΤΕΡΝΑΤΙΟΝΑΛ ΡΕΣΕΑΡΧΗ ΙΝΤΟ ΧΕΛΛ ΩΑΛΛ
ΜΕΧΗΑΝΙΧΣ ΟΦ ΤΡΑΧΗΕΙ∆Σ
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Κεψ ωορδσ} ≥¬±ª¯¨º²²§©¬¥¨µ¶o≤¨¯¯ º¤¯¯o  ¦¨«¤±¬¦¤¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶
近年来 o天然纤维 o特别是木材纤维k本文特指的是针叶材管胞l作为增强材料制造聚合物基复合材
料的研究得到了人们的广泛关注 ∀据统计 ot||x 年世界木材纤维的总产量达到 tz 亿 x sss 万吨
k∞¬¦««²µ± ετ αλqousstl ∀丰富的原料资源正使木材纤维Π塑料复合材料成为材料制造商新的竞争领域以
及材料科学新的研究热点 ∀但是 o由于我们对单根木材纤维的力学特性缺乏足够了解 o纤维在复合材料
中的增强潜力没有得到充分发挥 o限制了产品的使用范围 ∀因此深入了解木材纤维的力学特性及其断
裂机理对于实现木材纤维Π塑料复合材料的高效设计 o充分利用木材这一可再生的天然资源具有重要的
现实意义 ∀
木材纤维力学性能对于制浆和造纸也具有重要意义 o其基本力学数据是设计高效节能的制浆工艺
和热力制浆设备必不可少的科学依据k…¨ µª¤±§¨µετ αλqousss¤l ∀目前 o我国人工速生木材普遍存在材质
低下的缺点 o应用范围受到了很大限制 o这对国家实施的天然林保护工程极为不利 ∀为了从根本上解决
这一难题 o必须从营林和分子遗传的角度对人工林木材进行改良 o这就需要从细胞甚至分子水平深入了
解木材构成单元 ) ) ) 纤维的力学特性及其影响因子 o为木材品质的基因改良提供量化的目标和指标 ∀
对单根纤维力学性质的研究最早可以追溯到 t|ux年 o•∏«¯ °¨¤±±k未见原文l经过初步研究得到了
化学离析杉木管胞的断裂强度 ∀由于在当时的实验条件下 o进行这方面的研究难度很大 o他的研究没有
引起其他学者的注意 ∀直到 Ž¯¤∏§¬·¤等kt|wzl 改进了实验方法 o对脱木素木材纤维的力学特性进行了
一系列的研究 o这方面才得到了广泛重视 ∀之后 o有关单根木材纤维力学性质的研究日益增多 ∀ ¤µ®
kt|yzl在其博士论文的基础上 o总结了其他学者的研究成果 o出版了5管胞的细胞壁力学6一书 o标志着
管胞k纤维l细胞壁力学初步形成了一个较为完整的研究体系 ∀
过去几十年来 o由于实验条件的限制 o国内对管胞胞壁力学的研究从未开展过 o甚至未见有关细胞
壁力学研究现状的详细综述 ∀本文将进行人工林针叶材管胞胞壁力学的相关研究 o从实验方法 !理论预
测两个方面对国外细胞壁力学的研究现状进行详细介绍 o以引起国内木材科学研究人员的兴趣和重视 ∀
t 单根木材纤维力学性质的实验测定
针叶材管胞一般长 t ∗ x °° o直径为 us ∗ xs Λ°∀对于这样微小的试样 o实验上测定其力学性质不
是一件容易的事情 o因此探索可靠的测试方法一直是细胞壁力学的研究重点之一 ∀通常使用的有直接
测定和间接测定两种方法 ∀直接测定法直接测量离析后的单根管胞的力学性能 ~间接测量法测量的对
象的则是一小簇管胞 ∀显而易见 o前者得到的结果较为可靠 o但操作起来较为困难 ~后者虽然较容易测
量 o但试样制作比较困难k图 tl o并且所得数据的可靠性有待探讨 ∀目前测量单根纤维力学性质一般采
用直接测量法 o因此本文只介绍如何用直接测量法测定单根纤维力学性质 ∀
图 t 拉伸用薄小试样规格示意图
ƒ¬ªqt ≥¦«¨ °¤·¬¦µ¨³µ¨¶¨±·¤·¬²± ²© °¬¦µ²·²° §¨
º²²§¶¤°³¯¨©²µ·¨±¶¬¯¨ ·¨¶·¬±ª
k ∆ ° ¤¨±¶·«¨ ¤√¨ µ¤ª¨ §¬¤° ·¨¨µ²©·µ¤¦«¨¬§¶l
111 纤维夹紧和定向
测定单根木材纤维的力学性质是验证细胞壁力学模
型有效性的必要手段 ∀纤维力学性质及其测定方法的研
究最早开始于纺织和造纸行业 o目的是探讨纤维的力学
性质对纺织或纸制品力学性能的影响 ~但由于木材纤维
尺寸微小 o物理力学性质不均匀 o受含水率影响较大 o测
量工作困难得多 ∀主要表现在以下几个方面 }纤维夹紧 o
纤维定向 o纤维胞壁面积的精确测量 ∀因此众多学者在
改进木材纤维力学性质的测量方法 !提高测试手段可靠
性方面做了大量的研究 o研究中首先要解决的难点是纤
维的夹紧 ∀由于木材纤维在低含水率的条件下较脆 o且尺寸微小 o因此在拉伸以前 o应尽量避免对纤维
的损伤 ∀夹紧方式主要有机械夹紧和胶粘两种方法 ∀机械夹紧需要采用特制夹具k¤¼±¨ ot|x| ~ Ž¨¯¯²ªª
ετ αλqot|yw ~פ°²¯¤±ª ετ αλqot|yzl o这种方法不仅可能导致纤维在加载过程中发生滑移 o还容易造成
夹紧处细胞壁不同程度的压溃 o导致纤维的提前失效k即纤维在夹紧处断裂l ∀机械夹紧方式通常会导
致超过 xs h的试样在夹紧处断裂 o‹¤µ§¤¦®¨µkt|yvl证实了这一点 o认为机械夹紧方式常常压溃夹紧处
纤维的细胞壁 o从而造成拉伸强度的下降 ∀后来 o胶粘方式k„µ°¶·µ²±ª ετ αλqot|zz ~ ⁄∏±¦®¨µ ετ αλqo
t|yx ~ ¤·«¨ √¨ ·ot|yxl的可靠性得到了验证 o逐渐取代了机械夹紧方式 ∀目前实验中最常用的胶粘剂是
二组分环氧树脂 ∀应该指出 o胶粘方式并不是直接把纤维粘到加载装置的夹具上 o而是先粘到某种媒介
上 o再进行加载 ∀常用的媒介有纸板 !硝酸纤维素 !塑料 !金属等 ∀
如果在加载时纤维的取向明显偏离加载方向 o很容易造成拉伸剪切破坏 o影响结果的可靠性 ∀为了
保证纤维方向与载荷方向尽可能一致 o最好允许纤维在拉伸过程中能自由取向 ∀例如 o¦¯±·²¶«等
kt|y{l设计了一个刚性夹具系统 o其中下部夹具悬浮在熔融的铅液上 o当纤维取向适合后 o使铅液冷却
固定 ∀ Ž¤¯¯°¨ ¶kt|yyl则把下部夹具固定在一个可以旋转和倾斜的台子上 o以实现纤维的垂直取向 ∀很
明显 o上述方法实际操作起来非常困难 o不具有普遍适用性 ∀ Ž¨µ¶¤√¤ª¨ kt|zvl 对胶粘夹紧方式做了重
大改进 o进一步减少了纤维取向不当引起应力集中而造成纤维提前破坏的问题 ∀方法是 }在针叶材纤维
端头附近加环氧树脂微滴 o树脂固化形成球形端头 o这样纤维在拉伸时就可以在球槽型束缚中自由旋转
k图 ul o以减少纤维拉伸剪切偶联k¤µ® ετ αλqot|zsl而导致纤维提早断裂失效的可能性 ∀球槽型夹紧
系统的另一个显著特点是极大地简便了实验程序 ∀在实验前小心地把媒介装上拉伸装置后 o以后的工
作就剩下更换两端事先滴有环氧树脂的纤维了 o这就保证了对不同纤维测试条件的一致性 ∀ Ž¨µ¶¤√¤ª¨
kt|zvl认为 o球槽型纤维夹紧系统不仅显著降低了纤维在夹紧处断裂的概率 o而且获得的纤维力学强度
明显大于其它方法得到的数值 o具有较高的可靠性 ∀后来这种方法被进一步改进kŠµ²²° ετ αλqot||x ~
²· ετ αλqot||y o≥«¤¯ µ¨ετ αλqot||yl o极大地提高了测试速度 o被用于研究木材纤维纵向力学性质在树
木内的变异规律kŠµ²²° ετ αλqoussu¤~ussu¥~ ²· ετ αλqoussul ∀
112 单根纤维细胞壁面积的测量
wvt 林 业 科 学 v|卷
图 u 球槽型纤维夹紧系统
ƒ¬ªqu Šµ¬³³¬±ª¶¼¶·¨° ²©¥¤¯¯¤±§¶²¦®¨··¼³¨
由于对纤维加载得到的只是载荷 p伸长率曲线 o为了获得希
望的数据 o如弹性模量 !断裂应力等 o就必须知道纤维横切面细胞
壁的面积 ∀目前经常采用的方法是光学显微镜测量法 o即拍摄一
定放大倍数纤维横断面的显微照片 o再通过测面积学的方法测得
细胞壁的面积 ∀这种方法的难点在于如何在显微镜下观察单根纤
维的横断面 ∀曾经采用的方法是把纤维镶嵌在某种媒介k冰 !醋酸
纤维素等l中 o再用切片机垂直纤维方向横切 ∀可见 o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 o而激光共聚焦显
微镜由于采用激光切面 o可以进行无损检测 o省去了纤维包埋这一程序 o因此近年来得到了运用k ²·
ετ αλqot||y ~ussul ∀
113 新进展
us世纪 zs年代 o加拿大国家制浆造纸研究院的一个研究小组对单根木材纤维的力学性质及其测
试方法做了一系列的研究 o使单根纤维力学性质的实验方法提高到了一个新的阶段k °¤ª¨ ετ αλqot|zu ~
t|zz ~t|{vl ∀他们的创新主要表现在以下几方面 }把纤维夹在盖波片和载波片之间 o使管状纤维塌陷
成为扁平长条形纤维 o这样就防止了干燥过程纤维的扭曲变形 o有利于纤维的胶粘和随后的显微分析 ~
使用光学传感器代替通常使用的移动十字头测量纤维拉伸变形 o明显提高了测量的精确度 ~在加载过程
使用配有 ty °°彩色照相机的偏光显微镜对纤维进行显微分析 ∀
温度和含水率对木材纤维的力学性质有着重要的影响 ∀但早期测定通常局限于室温和室内相对湿
度这单一的环境条件 o虽然也有一些学者通过在拉伸过程把纤维浸在水里 o或向纤维喷水的方法得到了
纤维在水分饱和状态时的纵向力学性能数据 o但通常只有一个加载周期 ∀最近 o由 °¨ ·¨µ等kt|||l领导
的一个研究小组设计了一套能在不同的温度和相对湿度的条件下对单根木材纤维的纵向进行多周期加
载的装置 o使研究单根纤维的疲劳破坏成为可能 ∀
早期由于实验条件限制 o研究一般集中在纤维的静态力学特性 o而对拉伸过程纤维的微观动态变化
研究较少 ∀us世纪 {s年代以后 o扫描电镜的运用使单根木材纤维力学性能的研究进入了新的阶段 ∀
Œµ√¬±ªkt|{yl把微型压缩装置置于扫描电镜内 o首次观察到了单根纤维的压缩破坏顺序 ∀≥«¤¯ µ¨等kt||yl
则是把自制的微拉伸计置于环境扫描电镜的样品室 o研究单根纤维的拉伸破坏行为 o并同时使用了激
光共聚焦显微镜研究单纤维的三维构造 ∀
应该指出 o大部分研究中所用的纤维是经过化学或机械分离得到的 o所以测定的数值与天然态k¬±
¶¬·∏l纤维有一定的差异 ∀ •¬°°¨ µ等kt||zl提出使用纳米压痕仪测量管胞次生壁的纵向弹性模量 o第一
次得到了天然态红云杉k Πιχεα ρυβενσl管胞弦径壁的纵向弹性模量及其在管胞壁厚度方向上的分布规
律 ∀纳米压痕仪所用样品的制作方式和一般投射电镜试样的制作方式相似 o其中采用的包埋剂为 ≥³∏µµ
树脂 o包埋的目的是为了尽量减少试样制作过程细胞壁结构的松弛 ∀仪器对样品的表面平整度有很高
的要求 o因此需要用配有钻石刀头的超薄切片机提高样品的表面光洁度 ∀由于纳米微压痕仪试样在制
作过程中没有经过强化学药剂处理 o胞壁最大程度地保留了它的天然态 ∀此外 o纳米微压痕仪最突出的
特点是具有极高的分辨率 o对压痕深度的空间分辨率达到 s1tz ±° o载荷分辨率达到 s1w °‘o这意味着
能够在亚微米尺度内对样品的力学响应进行研究 ∀
与纵向力学性质的研究相比 o目前对单根木材纤维横向力学性质的研究相当有限 o因为要实现对单
根纤维的直接横向加载是非常困难的 ∀由于纤维的横向力学性质对于制定和设计高效节能的热力制浆
工艺 !设备 o以及木材横纹压缩密实化改性都具有重要现实意义 o有些学者已经开始了这方面的初步研
究 o取得了一定进展 ∀其中最引人注意的是 …¨ µª¤±§¨µ等kusss¤~usss¥l的研究 ∀他的研究有 v个特点 }
ktl试样制作 }厚度k方向l约为 s1u °° o沿径向切制单排双径壁条k见图 v中的虚线l ~kul微拉伸仪置
于环境扫描电镜的样品室内对试样进行径向拉伸 o拍摄试样加载前和加载的不同阶段的显微图像 ~kvl
把图像输入计算机 o运用数字影像关联技术k⁄Œ≤l把试样变形前的图像和变形后的图像进行交叉关联分
xvt 第 x期 余 雁等 }管胞细胞壁力学研究进展评述
图 v 径向拉伸试样制作示意图
ƒ¬ªqv ≥¦«¨ °¤·¬¦¬¯¯∏¶·µ¤·¬²±©²µ·«¨ °¤±∏©¤¦·∏µ¨
²©¶¤°³¯ ¶¨©²µµ¤§¬¤¯ ·¨±¶¬²±
析k¦µ²¶¶2¦²µµ¨ ¤¯·¨§¤±¤¯¼¶¬¶l o获得样品不同加载阶段的应变
场 o由此得到的挪威云杉k Πιχεα αβιεσl的横向弹性模量在 zss
∗ v sss °¤之间 ∀ ƒ¤µµ∏ªª¬¤等kusssl研究的则是一小簇管胞
k一般为 ts ≅ ts个管胞l的平均横向弹性模量 ∀他把杉木薄
试样置于体视显微镜下横向拉伸k观察面为横截面l o拍摄未
加载和不同加载阶段试样横截面的显微照片 o然后利用数字
影像分析系统获得不同载荷下管胞的横向应变 o由此获得早
材和晚材管胞的弦径向弹性模量及弦径向泊松比 ∀相对而
言 o后者在试样制作上较前者简单得多 o并且试样的尺寸也相
对较大 o具有较强的可操作性 ∀但前者可以获得单根纤维应
变场分布等精确信息 o为深入研究管胞细胞壁的微力学特性提供了可靠的手段 ∀
u 细胞壁主成分力学性能的实验测定
从复合材料的观点出发 o管胞细胞壁是一种天然的纤维增强复合材料 ∀可把木质素和半纤维素复
合体视为无定形基相 o而把镶嵌其中的纤维素微纤丝视为增强相 o这样就可以根据细胞壁的超微构造和
它的主成分的物理力学性质 o运用复合材料细观力学对木材纤维力学性能进行理论预测 o但前提是必须
获得细胞壁主成分力学性能的实验或理论值 ∀
211 纤维素
纤维素是木材细胞壁的主要成分 o构成了细胞壁的骨架 o它是自然界中储藏量最为丰富的天然高分
子 ∀≥¤®∏µ¤§¤等kt|yul从实验中获得结晶纤维素的纵向弹性模量为 tvw Š°¤∀ ¤µ® kt|yzl 则从结晶纤
维素的结晶构造出发进行了理论计算 o所得的计算值比实验值略低 ∀ Š¬¯¯¶kt|y|l 在他的理论计算中考
虑了氢键 o得到的纵向弹性模量值高达 uwy Š°¤o同时计算所得的泊松比却比预想的小的多 o因此他的
研究结果没有得到普遍接受 ∀目前在利用细胞壁力学模型计算纤维的弹性模量时 o一般采用的是
≥¤®∏µ¤§¤和 ¤µ®的研究结果 ∀
212 半纤维素
实验测量半纤维素的弹性模量是一项费力的工作 o需要经过半纤维素分离 !模压成试件 !测试等工
序 ∀ ≤²∏¶¬±¶kt|z{l 是第一个获得半纤维素弹性模量实验值的人 ∀根据他的实验结果 o含水率对半纤维
素的弹性模量影响很大 o从绝干到接近饱和这段范围内 o数值从 {1s ≅ ts| Š°¤降到了 t1s ≅ tsz Š°¤o变化
范围达 v个数量级 ∀半纤维素在胞壁中并不是完全无序排列 o特别是与微纤丝毗邻的半纤维素鞘 o其分
子链的取向与微纤丝大致一致 o¤µ®把这部分半纤维素与纤维素一道归于细胞壁的骨架物质 o其余的
半纤维素则与木素一道视为基质 ∀ ≤¤√¨ kt|zyl则把半纤维素作为单独的成分来处理 o并假设它为横向
各向同性物质 o其纵向弹性模量是横向的两倍 ∀
213 木素
尽管木素是各向同性的三维空间网状高分子 o但其弹性模量的测量过程与半纤维素一样 o也是相当
困难和繁琐的 o目前仍缺乏木素弹性模量的可靠数据 ∀≥µ¬±¬√¤¶¤± kt|wtl 是最早对木素杨氏弹性模量进
行实验测定的人 o所测的的值为 u1s ≅ ts| °¤∀ ¤µ®kt|yzl推测木素泊松比和许多无定形高分子一样为
s1v o并由此计算出木质素的剪切模量为 s1z{x ≅ ts| °¤o后来这三个数据被普遍引用 ∀但 ≤²∏¶¬±等
kt|zxl使用连续压痕法测得二氧杂环乙烷k⁄¬²¬¤±¨ l木质素在含水率为 v h时的弹性模量为kv1v ? s1wl
≅ ts| °¤o表明木素的弹性模量和含水率有关 o说明有必要对木素的弹性参数进一步地测量 ∀随后
≤²∏¶¬±kt|zyl又证明了高锰酸钾木素和克拉松 kŽ¯¤¶²±l 木素的杨氏剪切模量与含水率之间近似存在线
性关系 o并测得含水率为 v1y h时 o高锰酸钾的杨氏模量约为 y1z ≅ ts| °¤∀可见不同分离方法得到的木
质素的力学数据不尽相同 o甚至会相差很大 ∀
yvt 林 业 科 学 v|卷
v 管胞细胞壁计算力学研究进展
目前管胞细胞壁计算力学研究主要集中在木材纤维纵向弹性模量的理论预测方面 ∀这是因为纤维
的破坏是一个复杂 !随机的过程 o其强度的理论预测远较弹性常数困难 !复杂的多 ∀细胞壁计算力学的
研究对象一般局限于管胞 o主要是在壁层结构的基础上 o提出经过一定简化的物理模型 o然后根据细胞
壁要主成分的力学性质 o运用复合材料细观力学理论和经典层合板理论 o计算出管胞的弹性参数 ∀
¤µ®kt|yzl是最早对管胞胞壁力学进行系统研究的学者之一 o提出了单纤维多层结构模型及相应
的理论计算方法 ∀ ≤¤√¨ kt|y{ ~t|y|l把 ¤µ®的多层胞壁结构模型简化为具有特定化学组成和纤丝角的
单层模型 o并给模型引入了两层平衡结构概念 o第一次把完全剪切束缚k¦²°³¯ ·¨¨ ¶«¨¤µµ¨¶·µ¤¬±·l概念引入
细胞壁力学模型 ∀≥¦«±¬¨º¬±§kt|y|l对 ≤¤√¨ 的模型进一步改进 o提出了多层结构完全剪切束缚模型 o即
双胞壁多层模型 o开始了细胞壁计算力学研究的新阶段 ∀单纤维多层结构模型和完全剪切束缚模型构
成了细胞壁计算力学研究的基础 ∀ ≤¤√¨ kt|zu ~t|zy ~t|z{¤~t|z{¥l随后在细胞壁计算力学方面做了进一
步的研究 o引入了细观力学中的自洽理论 k¶¨ ©¯¦²±¶¬¶·¨±·°¨ ·«²§l o并提出了一个两层胞壁模型 o在他的
模型中同时考虑了 ≥u 层纤丝角和 ≥u 层相对厚度两个变量k在此之前的计算模型中只考虑 ≥u 层纤丝角
一个变量l o使计算结果与实验结果更为吻合 ∀
与 ¤µ®和 ≤¤√¨ 把微纤丝视为连续的增强体k不考虑微纤丝的非结晶区l相反 o≥¤¯ °¨ ±等kt|{xl引
入了不连续增强体k§¬¶¦²±·¬±∏²∏¶µ¨¬±©²µ¦¬±ª¨¯ °¨¨ ±·l这个新的概念 o从而考虑微纤丝非结晶区的影响 o并
在计算模型中引入了复合材料细观力学中著名的 ‹¤¯³¬±2׶¤¬方程 o从而考虑了微纤丝增强体形状因子
k长径比l对纤维纵向弹性模量的影响 ∀ Ž²³²±¨ ±等kt|{|l在双壁多层结构模型的基础上 o使用了 ≤«²∏
等kt|zul导出的方程计算了管胞的纵向弹性模量 ∀随后 o他对模型进行了进一步的改进kŽ²³²±¨ ± ετ
αλqot||tl o在模型中引入了射线组织 o并提出了径向胞壁角k管胞径向壁与木射线之间的夹角l和三点
弯曲元件k·«¨ ·µ¬³¯¨³²¬±·¨ ¯¨ °¨ ±·l的新概念 ∀最近 o ‹¤µµ¬±ª·²±等kt||{¤~t||{¥l 把细胞壁各薄层k¯ ¤°¬±¤l
视为单向纤维增强复合材料 o引入代表性体积单元kµ¨³µ¨¶¨±·¤·¬√¨ √²¯∏°¨ ¨¯ °¨¨ ±·o• ∂∞l o通过多步均质化
方法k°∏¯·¬2³¤¶¶«²°²ª¨±¬½¤·¬²± ³µ²¦¨§∏µ¨l把非均质的 • ∂∞均质化 o并使用 ≤«²∏等kt|zul所提出的计算方
程得到了细胞壁各层的弹性参数 ∀
进入 us世纪 |s年代后 o影像分析技术在细胞壁计算力学中得到了运用 ∀ • ¤·¤±±¥¨ 等kt|||l使用
光学显微镜得到了 z种针叶材早材横截面的显微照片 o然后把图像输入计算机进行型谱k³²º¨ µ¶³¨¦·µ∏°
¤±¤¯¼¶¬¶l分析 o得到了早材管胞特征形状的数量化参数 o然后代入 Š¬¥¶²±方程 o定量地解释针叶材横向弹
性模量与密度之间的关系 ∀而 ‹¤µµ¬±ª·²±等kt||{¤~t||{¥l 则通过计算机图像处理 o得到管胞横截面的
骨骼化影像k¶®¨ ¯¨·¬¶¨§¬°¤ª¨ l o然后把该图像输入一个有限元程序得到三维的有限元模型 o利用有限元
模型计算所得结果与前人实验结果吻合得很好 ∀江泽慧等kussul !侯祝强等kussvl依据针叶树木管胞
和射线细胞的结构模型 o使用计算机抽样模拟解剖结构参数 o计算了人工林杉木k Χυννινγηαµια
λανχεολαταl !马尾松k Πινυσ µασσονιαναl幼龄材和成熟材纵向弹性模量 o理论值和实验值模拟得很好 ∀
w 分析与讨论
411 现状
从以上的分析可见 o细胞壁力学发展明显经历了 v个阶段 }us世纪 ys年代到 zs年代末 o这是细胞
壁力学蓬勃发展的阶段 o不论是在实验方法还是理论计算方面都取得了较大的进展 ~{s年代初到 |s年
代中期 o这段时期细胞壁力学研究发展缓慢 ~|s年代中期以后 o新的测试技术和研究方法使细胞壁力学
的进一步深入研究成为可能 o这方面的研究报道明显增多 ∀
到目前为止 o细胞壁力学尽管取得了许多进展 o但仍然存在许多不足 o主要表现在 }ktl单根纤维横
向力学性质的实验测定方面的研究非常有限 o已有的方法尽管具有一定的可靠性 o但操作起来较为困
难 o应寻找相对简便易行的测定方法 ~kul弹性性质方面的研究较多 o强度方面的研究很少 o特别是木材
zvt 第 x期 余 雁等 }管胞细胞壁力学研究进展评述
纤维强度理论预测方面的研究几乎是一个空白 ~kvl对纤维素力学性质的理论计算较为成功 o但目前未
见半纤维素 !木素力学常数理论计算的研究报道 ∀此外 o半纤维素 !木素力学常数实验测定方面的研究
自 us世纪 zs年代以来停滞不前 ∀
412 建议
木材是一种复杂的天然纤维增强复合材料 o在木材中存在几种不同层次的复合作用 }木材细胞壁各
层内具有方向性的纤维框架物质与无定型的基质之间的复合 ~kul细胞壁各层具有不同成分和结构 o它
们之间层叠复合 ~kvl在宏观上可把针叶材视为管胞为增强相 o胞间层为基质相的混杂纤维k由于早晚材
管胞的力学性能存在差异l增强复合材料 ∀因此复合材料细观力学应是细胞壁力学研究的首要工具 o应
该时刻关注细观力学的发展 o把复合材料细观力学中最新的理论和实验方法及时地运用到细胞壁力学
的研究中 ∀其实在细胞壁计算力学的发展过程中 o细观力学的思想与研究方法已经有意识或无意识地
被运用其中 ∀从这个角度上说 o把细胞壁力学称为细胞壁细观力学似乎更为合适 ∀细胞壁力学的微观
本质表明它对实验设备的要求较高 o应该注意把高精尖的实验仪器运用到细胞壁力学的研究中 ∀例如
微拉伸计 !扫描电镜k特别是环境扫描电镜l !数字影像关联技术 !纳米微压痕仪等都是研究细胞壁力学
的必备工具 ∀
由于木材是一种结构复杂的非均质天然纤维增强复合材料 o力学性能变异大 ∀在细胞壁力学研究
中 o应遵循分步进行 !就近相连的原则 o即首先建立细胞壁主成分及其微观构造与单纤维力学性质之间
的关系模型 o再采用单纤维和薄小试样相结合的研究方法分别建立单纤维与早晚材之间的关系 o最后才
进行木材宏观性能的预测 ∀
参 考 文 献
侯祝强 o姜笑梅 o骆秀琴等 1针叶树木材细胞力学及纵向弹性模量计算 ) ) ) 试件纵向弹性模量的预测 q林业科学 oussv ov|kul }tuv p tu|
江泽慧 o费本华 o侯祝强等 1针叶树木材细胞力学及纵向弹性模量计算 ) ) ) 纵向弹性模量的理论模型 q林业科学 oussu ov{kxl }tst p tsz
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{vt 林 业 科 学 v|卷
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|vt 第 x期 余 雁等 }管胞细胞壁力学研究进展评述