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温湿度场中木材正交异向黏弹性体系表征与模型

  黏弹性是影响木材加工和利用的关键特性,木材构造各向异性以及所处温湿度场和应力场条件对其黏弹行为具有决定性作用。因此,研究并阐明木材正交异向黏弹性的湿热效应机制,对深入认识木材性质、合理并高效利用木材具有重要价值。

  中国林科院木材工业研究所蒋佳荔副研究员及研究团队在国家自然科学基金(批准号:31570548)的资助下,将材料内因(纹理方向、含水率)和环境外因(温湿度、载荷特性)相结合,在系统表征木材正交异向黏弹性的基础上,揭示湿热耦合作用对细胞壁组分和结构的影响规律,从分子水平上阐明木材黏弹性的湿热效应机制,建立了黏弹性本构模型。从木材线性黏弹性区域的临界应变值入手,阐明了木材线性黏弹区域的临界应变值随温度升高呈现减小的变化趋势;揭示了吸着水分子的存在增加木材细胞壁化学成分之间的黏着力,木质素发生湿热软化可以引起线性黏弹区域变窄的规律;揭示了木材黏弹行为的正交异向性与细胞壁微纤丝的取向关系,阐明了疏水性、高位阻的微纤丝与亲水性的Matrix(半纤维素和木质素)在轴、横向受载时的异步性响应及其引发的壁层滑移,建立了细胞壁松弛时间与水分状态/含量的对应关系。

  该研究构建了基于平衡含水率、温度、载荷类型和形变模式的12组独立黏弹性参数的木材正交异向黏弹性应变方程组及其三维变形体;提出了机械吸湿蠕变的应变分解方法,实现了量化表征机械吸湿效应,进而丰富和发展了木材流变学的基础理论,对优化木材湿热处理技术具有重要的理论指导意义。