CN109238830A - 一种木材单纤微力学测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木材单纤微力学测量装置，包括滑走式切片机，滑走式切片机的标本固定器上固定有L型支架，L型支架的另一端截面对角线的中心与木材纤维相连；电子天平置于L型支架的下部，木材纤维固定底座放置于电子天平之上。本发明还公开了一种利用一种木材单纤微力学测量装置测量木材单纤微力学性能的方法，利用精密电子天平测量施力大小，L型支架在滑走式切片机作用下上下移动，对木材纤维竖直方向产生拉伸载荷，根据应力增量—应变增量关系计算出木材纤维的弹性模量；继续向木材纤维施加载荷直至木材纤维断裂，根据此临界载荷值与木材纤维的横截面积计算出木材纤维的拉伸强度。本发明可用于测量所有树种的木材纤维的弹性模量和拉伸强度，精确至微米级。

Description

一种木材单纤微力学测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种木材单纤微力学测量装置及测量方法，属于木材力学性能测试领域。

背景技术

木材纤维的弹性模量和拉伸强度是其基本的力学性能，在木材加工、造纸制浆、制备生物质型煤等实际应用中需要考虑其弹性模量和拉伸强度的问题以达到充分利用其特性的目的。

弹性模量材料是基本力学性能之一，表征材料抵抗弹性变形的能力，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。常规固体材料弹性模量测量方法，常用的有静态法、波传播法、动态法等。静态法测试的是材料在弹性变形区间的应力—应变，在试样上施加一恒定的弯曲应力，测定其弹性弯曲挠度，根据应力和应变计算弹性模量。动态法就是使待测试材料棒(如铜棒、钢棒)产生弯曲振动，并使其达到共振，通过共振测量出该种材料的杨氏模量值。超声波法主要是通过分析超声共振频率得到固体材料样品的弹性常数。

拉伸强度是材料在断裂失效过程中的最大应力，在断裂力学中具有举足轻重的作用，对于常规材料，通常采用拉伸法进行测量。拉伸法是以一定的载荷速率对纤维施加拉伸载荷直至纤维断裂，根据断裂时的临界载荷和纤维截面积等计算出材料的拉伸强度。常用拉伸试验机对材料进行拉伸强度测试。

虽然测试常规固体材料的弹性模量和强度有很多种方法，但是对于木材单纤微力学测量方法的少之甚少，截至目前没有相关国家标准或行业标准可依。由于木材纤维非常细小，其直径通常为几微米到几十微米，且承受的载荷较小，且易变形，动态法测试所产生的激励仪器没有反应，造成测试困难，常规的万能试验机载荷分辨率达不到，伸长量也难以测试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种木材单纤微力学测量装置及测量方法，测量所有树种的木材纤维的弹性模量和拉伸强度，精确至微米级，解决了木材领域的测量难题且设备简单，成本低廉，对木材纤维力学性能测量及实验设备的改造利用具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明提供一种木材单纤微力学测量装置，包括滑走式切片机，其特征是，所述滑走式切片机的标本固定器上固定有L型支架，L型支架的另一端截面对角线的中心与木材纤维相连；电子天平置于L型支架的下部，木材纤维固定底座放置于电子天平之上，木材纤维安装于木材纤维固定底座的中心点上；所述滑走式切片机设有将标本固定器上移或下降的调节旋钮。

优选地，所述木材纤维两端与L型支架及纤维固定底座的连接均采用紫外光固化胶粘剂进行粘接。

优选地，所述滑走式切片机设有控制面板和步进按钮。

优选地，所述标本固定器包括底座、调节杆和可移动前板，底座的一端设有调节杆固定孔，调节杆的长形螺丝，通过调节杆固定孔，且部分内含于可移动前板中；底座上开有滑动槽，可移动前板与滑动脚相连，滑动脚经可移动前板在调节杆的驱使下在滑动槽中前后滑动。

本发明还提供一种利用一种木材单纤微力学测量装置测量木材单纤微力学性能的方法，其特征是，利用精密电子天平测量施力大小，L型支架在滑走式切片机作用下上下移动，对木材纤维竖直方向产生拉伸载荷，切片机调节旋钮每上抬一次，带动L型支架上移设定的步进距离，该步进距离即为木材纤维的位移大小，根据应力增量—应变增量关系计算出木材纤维的弹性模量；继续向木材纤维施加载荷直至木材纤维断裂，根据此临界载荷值与木材纤维的横截面积计算出木材纤维的拉伸强度。

优选地，具体包括以下步骤：

(1)用高倍显微镜测量木材纤维的横截面尺寸，得到木材纤维的横截面面积S；

(2)将电子天平置于L型支架下部，L型支架一端固定在滑走式切片机的标本控制器上；

(3)将木材纤维固定底座放置于电子天平之上，调整木材纤维固定底座的位置并通过标本控制器上下移动L型支架，使木材纤维固定底座的中心点与L型支架一端截面对角线交点完全重合，再通过移动标本控制器使L型支架仅在竖直方向发生位移，木材纤维固定底座中心点与支架截面对角线交点处于同一条竖直线上；

(4)采用紫外光固化胶粘剂将木材纤维的一端先与木材纤维固定底座粘连好，木材纤维固定在底座的中心点上；

(5)调节滑走式切片机的调节旋钮使L型支架下移至与木材纤维另一端刚好触碰为止，此时电子天平读数不发生变化；用紫外光固化胶粘剂将二者粘连，随即再将电子天平的读数归零；

(6)在木材纤维线弹性范围内，通过控制滑走式切片机的升降对木材纤维进行拉伸，产生拉伸载荷F，此时滑走式切片机控制面板显示的位移变化即为单根木材纤维在该载荷下的绝对伸长量dL，同时记录该伸长量下的电子天平读数m，计算拉伸载荷F＝－mg；根据式(1)计算单根木材纤维的弹性模量E，

其中：F为拉伸载荷，S为纤维的截面积，L为纤维的初始长度，测量方法见步骤(10)，dL为纤维的伸长量；

(7)继续移动L型支架对木材纤维进行拉伸至一定距离，再次记录木材纤维的绝对伸长量dL及电子天平读数，并根据式(1)计算木材纤维的弹性模量E；至少做5组数据取平均值作为弹性模量的测试数据；

(8)控制滑走式切片机进一步对木材纤维进行拉伸直至木材纤维在长度方向发生断裂，记录断裂发生时的电子天平的读数m_c，计算临界载荷F_c＝－m_cg；

(9)根据式(2)计算木材纤维的拉伸强度σ，

其中，F_c为纤维断裂时的临界载荷，S为纤维的截面积；

(10)木材纤维断裂后，天平示数自动归零，操作滑走式切片机下移L型支架直至L型支架上的紫外固化胶与底座上的紫外固化胶正好触碰为止，此时天平示数刚好为正。记录此时的步进长度，该长度即为单根木材纤维的初始长度L。

本发明所达到的有益效果：

(1)解决单根木材纤维弹性模量测量难度大的问题。直径为微米级的木材纤维，其弹性模量因为力和形变都较小，一般的设备没法满足实验精度的要求。本发明设计一种简易的L型支架，通过应力增量—应变增量关系来求得纤维的弹性模量；

(2)本发明在传统木材实验室中的滑走式切片机的基础上，对其进行改造利用，滑走式切片机通常只用于木材的切片，通过外接一自行设计的L型支架，利用切片机在竖直方向的升降功能带动整个装置的运动，切片机竖直方向的移动直接对木材纤维产生拉伸载荷；

(3)伸长量精密控制。操作滑走式切片机调节旋钮，每上抬一次旋钮，标本控制器带动L型支架上升设定的固定步进，且切片机的控制面板上显示的移动距离即为木材纤维竖直方向的伸长量；

(4)载荷精密测量方法。利用精密电子天平测量重量变化的方法来转化为纤维所承受的载荷。

(5)将长度变化的数据和电子天平的载荷数据输入至计算机系统，加入编好的软件系统可以实现自动计算出单根木材纤维的弹性模量和拉伸强度。

附图说明

图1本发明木材单纤微力学测量装置示意图；

图2本发明中标本固定器用于固定L型支架的主视图；

图3本发明中标本固定器用于固定L型支架的左视图；

图4本发明中标本固定器用于固定L型支架的俯视图；

图5本发明中木材单纤微力学测量方法中木材纤维固定示意图；

图6利用本发明对杉木测量的应力增量—应变增量数据拟合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供了在竖直方向上直接向木材纤维施加拉伸载荷来测试微米级的木材单纤微力学测量方法及装置。

本发明中，由精密电子天平测量载荷大小，设计一种在竖直方向上直接向木材纤维施加拉伸载荷的L型支架，利用滑走式切片机带动L型支架在竖直方向上移，使纤维在线弹性范围内发生拉伸变形，由切片机的控制面板显示的距离直接作为纤维变形伸长量，根据应力增量应变增量关系计算出单根木材纤维的弹性模量，进一步对木材纤维进行拉伸，直至木材纤维发生断裂，根据发生断裂时的临界载荷值和纤维尺寸可计算出纤维的拉伸强度。

弹性模量由应力增量—应变增量关系测试，为了解决载荷精密测量的问题，设计一种直接作用于木材纤维拉伸载荷的L型支架，用精密电子天平测量载荷，纤维上面承受单向拉伸应力，显微镜下该纤维长度为L，通过操作滑走式切片机带动L型支架移动从而使木材纤维发生长度方向的位移，然后按照弹性模量的定义来计算其弹性模量。当拉伸载荷进一步增加，直至木材纤维发生断裂，由断裂的临界载荷值和木材纤维的截面积可以计算出其拉伸强度。

为此，本发明特别设计一种木材单纤微力学测量装置。参见图1所示，测量装置主要包括滑走式切片机1、L型支架2、电子天平3及木材纤维固定底座4等部分。滑走式切片机1的标本固定器6上固定有L型支架2，L型支架2的另一端截面对角线的中心与木材纤维5相连；电子天平3置于L型支架2的下部，木材纤维固定底座4放置于电子天平3之上，木材纤维5安装于木材纤维固定底座4的中心点上；滑走式切片机1还设有将标本固定器6上移或下降的调节旋钮10、控制面板8和步进按钮9。

其中，滑走式切片机1的步进范围为0～120μm，最小步进为0.25μm，通过控制面板8上的步进按钮9进行设定。为保证精确性，选取最小步进0.25μm作为标准尺度。标本固定器6可垂直移动距离为40mm，本发明中使用该标本固定器固定L型支架2的一端，见图1所示。切片机左侧调节旋钮10，每上抬一次，L型支架2上升相应步进，木材纤维5产生相应的伸长量，从控制面板8可以得到木材纤维移动至任意竖直位置产生的位移。

其中，标本固定器6由轻质铝合金制成，其构成参见图2、图3和图4所示，包括调节杆7、滑动槽11、调节杆固定孔12、底座13、可移动前板14、滑动脚15等部件。底座13的一端设有调节杆固定孔12，调节杆固定孔12为底座13的一部分，其作用是为调节杆7控制可移动前板14的前后移动提供支撑；底座13上开有滑动槽11，滑动脚15的顶部与可移动前板14相连接。滑动脚15为可移动前板14的一部分，调节杆7的长形螺丝，通过调节杆固定孔12，且部分内含于可移动前板14中，通过转动调节杆7，可使其自身前后移动，即调节杆7、可移动前板14和滑动脚15三者同步移动。将L型支架2放入底座13与可移动前板14后，顺时针转动调节杆7推动可移动前板14直至无法转动为止，将L型支架2夹紧。

其中，通过操作调节旋钮10，滑走式切片机1内置电脑控制标本固定器6进行上下移动。

其中，L型支架2，由轻质铝合金制成，一端固定于滑走式切片机1的标本固定器6中，另一端与木材纤维5相连，该端口对角线交点为支架2与木材纤维5的连接点，连接点处用紫外光固化胶粘剂胶稳固粘结。通过该L型支架2的上下位移用于对木材纤维5在竖直方向进行拉伸。

其中，电子天平3与滑走式切片机1均放置于同一水平工作台上；木材纤维固定系统的组成如图5所示，包括木材纤维5、L型支架2和木材纤维固定底座4。使用铜块作为木材纤维固定底座4，置于电子天平3之上，木材纤维固定底座4的中心点为木材纤维5与底座4的连接点，底座4与木材纤维5之间用紫外光固化胶粘剂胶稳固粘结。

本发明的检测基本步骤包括测量木材纤维的自身长度和横截面尺寸，固定木材纤维，然后在木材纤维的线弹性范围内对其进行长度方向的拉伸，记录木材纤维相应的伸长量，并读取相应伸长量下电子天平的读数以此计算木材纤维受到的拉力载荷。根据获得的载荷增量和对应的伸长量以及木材纤维横截面积计算出木材纤维的弹性模量。对木材纤维继续拉伸直至纤维断裂，计算出临界载荷，通过临界载荷和木材纤维横截面积计算其强度。测试方式如下：

(1)用高倍显微镜测量木材纤维的横截面尺寸，得到木材纤维的初横截面面积S；

(2)将电子天平置于L型支架下部，L型支架一端固定在滑走式切片机的标本控制器上；

(3)将木材纤维固定底座放置于电子天平之上，调整木材纤维固定底座的位置并通过标本控制器上下移动L型支架，使木材纤维固定底座的中心点与L型支架的对角线交点重合，再通过移动标本控制器使L型支架仅在竖直方向发生位移，木材纤维固定底座的中心点与支架截面对角线交点处于同一条竖直线上；

(4)采用紫外光固化胶粘剂将木材纤维的一端先与木材纤维固定底座粘连好，木材纤维固定在底座的中心点上；

(5)调节滑走式切片机的调节旋钮使L型支架下移至与木材纤维另一端刚好触碰为止，此时电子天平读数不发生变化；用紫外光固化胶粘剂将二者粘连，随即再将电子天平的读数归零；

(6)在木材纤维线弹性范围内，通过控制滑走式切片机的升降对木材纤维进行拉伸，产生拉伸载荷F，此时滑走式切片机控制面板显示的位移变化即为单根木材纤维在该载荷下的绝对伸长量dL，同时记录该伸长量下的电子天平读数m，计算拉伸载荷F＝－mg；根据式(1)计算单根木材纤维的弹性模量E，

其中：F为拉伸载荷，S为纤维的截面积，L为纤维的初始长度，测量方法见步骤(10)，dL为纤维的伸长量；

(7)继续移动L型支架对木材纤维进行拉伸至一定距离，再次记录木材纤维的绝对伸长量dL及电子天平读数m，并根据式(1)计算木材纤维的弹性模量E；至少做5组数据取平均值作为弹性模量的测试数据；

(8)控制滑走式切片机进一步对木材纤维进行拉伸直至木材纤维在长度方向发生断裂，记录断裂发生时的电子天平的读数m_c，计算临界载荷F_c＝－m_cg；

(9)根据式(2)计算木材纤维的拉伸强度σ，

其中，F_c为纤维断裂时的临界载荷，S为纤维的截面积；

(10)木材纤维断裂后，天平示数自动归零，操作滑走式切片机下移L型支架直至L型支架上的紫外固化胶与底座上的紫外固化胶正好触碰为止，此时天平示数刚好为正。记录此时的步进长度，该长度即为单根木材纤维的初始长度L。

以下结合具体实施例详细说明本发明。实施例只为具体公开本发明测试单根木材纤维弹性模量和强度的过程，不作为对本发明其他实施方式的限制。

实施例：测量杉木单纤维的微力学性能

具体操作过程为：

(1)选择杉木单纤维为实验试样，采用日本奥林巴斯BX51精密显微镜测得木材纤维的横截面面积S＝208μm²。

(2)采用紫外光固化胶粘剂将杉木纤维的一端先与底座粘连好，杉木纤维固定在底座的中心点；调节滑走式切片机的调节旋钮使L型支架下降至与杉木纤维另一端正好接触为止，此时用紫外光固化胶粘剂将二者粘连，杉木纤维此时仅受自身重力的作用，在底座与支架之间自然绷直；将电子天平的读数归零；

(3)在杉木纤维线弹性范围内，操作滑走式切片机使L型支架向上移动，从而使杉木纤维在竖直方向受到拉伸作用，通过控制面板显示将木材纤维拉伸至绝对伸长量dL＝4.75μm，读取在该伸长量下的天平读数为－0.996g，即产生的拉力载荷F＝－mg＝－(－0.996)/1000×9.8N，此后，继续移动L型支架，拉伸木材纤维至绝对伸长量dL为7.00μm，8.75μm，12.50μm，14.00μm，读取电子天平对应的读数m为－1.573g，－1.993g，－2.832g，－3.342g；

(4)利用调节旋钮进一步施加载荷直至杉木纤维断裂，记录断裂时的纤维伸长量175μm，电子天平的读数m_c＝－11.342g，计算临界载荷F_c＝－m_cg＝1.342/1000×9.8＝0.111N；

(5)木材纤维断裂后，操作滑走式切片机下移L型支架直至L型支架上的紫外固化胶与底座上的紫外固化胶正好触碰为止，记录此时显示的步进长度为－849.50μm，即单根木材纤维的初始长度L＝849.50μm。

(6)根据式(1)，计算杉木纤维绝对伸长量dL分别为4.75μm，7.00μm，8.75μm，12.50μm，14.00μm时，杉木纤维的弹性模量分别为8.39GPa，8.99GPa，9.12GPa，9.07GPa，9.55GPa，标准差为0.38GPa。为进一步了解其数据的可靠性，整理了5个不同载荷增量下的应力增量—应变增量数据拟合图(见图6)，从图中6可以看出数据点都非常靠近拟合直线，相关系数R＝0.996，非常接近1，说明线性相关性良好，数据可靠。

(7)根据式(2)可计算出杉木单纤维的拉伸强度为534MPa。

综上所述，本发明所述的木材单纤微力学测量方法和装置可广泛应用于木材领域，可对几个微米到几十个微米的木材纤维进行测试，且无需添置新设备，仅对木材实验室中滑走式切片机加以改造即可，成本低廉，操作简单，对木材纤维力学性能评价及实验设备的改造利用具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种木材单纤微力学测量装置，包括滑走式切片机，其特征是，所述滑走式切片机的标本固定器上固定有L型支架，L型支架的另一端截面对角线的中心与木材纤维相连；电子天平置于L型支架的下部，木材纤维固定底座放置于电子天平之上，木材纤维安装于木材纤维固定底座的中心点上；所述滑走式切片机设有将标本固定器上移或下降的调节旋钮。

2.根据权利要求1所述的一种木材单纤微力学测量装置，其特征是，所述木材纤维两端与L型支架及纤维固定底座的连接均采用紫外光固化胶粘剂进行粘接。

3.根据权利要求1所述的一种木材单纤微力学测量装置，其特征是，所述滑走式切片机设有控制面板和步进按钮。

4.根据权利要求1所述的一种木材单纤微力学测量装置，其特征是，所述标本固定器包括底座、调节杆和可移动前板，底座的一端设有调节杆固定孔，调节杆的长形螺丝，通过调节杆固定孔，且部分内含于可移动前板中；底座上开有滑动槽，可移动前板与滑动脚相连，滑动脚经可移动前板在调节杆的驱使下在滑动槽中前后滑动。

5.利用权利要求1-4中任意一项所述的一种木材单纤微力学测量装置测量木材单纤微力学性能的方法，其特征是，利用精密电子天平测量施力大小，L型支架在滑走式切片机作用下上下移动，对木材纤维竖直方向产生拉伸载荷，切片机调节旋钮每上抬一次，带动L型支架上移设定的步进距离，该步进距离即为木材纤维的位移大小，根据应力增量—应变增量关系计算出木材纤维的弹性模量；继续向木材纤维施加载荷直至木材纤维断裂，根据此临界载荷值与木材纤维的横截面积计算出木材纤维的拉伸强度。

6.根据权利要求5所述的利用一种木材单纤微力学测量装置测量木材单纤微力学性能的方法，其特征是，具体包括以下步骤：

(1)用高倍显微镜测量木材纤维的横截面尺寸，得到木材纤维横截面面积S；

(2)将电子天平置于L型支架下部，L型支架一端固定在滑走式切片机的标本控制器上；

(3)将木材纤维固定底座放置于电子天平之上，调整木材纤维固定底座的位置并通过标本控制器上下移动L型支架，使木材纤维固定底座的中心点与L型支架一端截面对角线交点完全重合，再通过移动标本控制器使L型支架仅在竖直方向发生位移，木材纤维固定底座中心点与支架截面对角线交点处于同一条竖直线上；

(4)采用紫外光固化胶粘剂将木材纤维的一端先与木材纤维固定底座粘连好，木材纤维固定在底座中心点上；

(5)调节滑走式切片机的调节旋钮使L型支架下移至与木材纤维另一端刚好触碰为止，此时电子天平读数不发生变化；用紫外光固化胶粘剂将二者粘连，随即再将电子天平的读数归零；

(6)在木材纤维线弹性范围内，通过控制滑走式切片机的升降对木材纤维进行拉伸，产生拉伸载荷F，此时滑走式切片机控制面板显示的位移变化即为单根木材纤维在该载荷下的绝对伸长量dL，同时记录该伸长量下的电子天平读数m，计算拉伸载荷F＝－mg；根据式(1)计算单根木材纤维的弹性模量E，

其中：F为拉伸载荷，S为纤维的截面积，L为纤维的初始长度，测量方法见步骤(10)，dL为纤维的伸长量；

(7)继续移动L型支架对木材纤维进行拉伸至一定距离，再次记录木材纤维的绝对伸长量dL及电子天平读数m，并根据式(1)计算木材纤维的弹性模量E；至少做5组数据取平均值作为弹性模量的测试数据；

(8)控制滑走式切片机进一步对木材纤维进行拉伸直至木材纤维在长度方向发生断裂，记录断裂发生时的电子天平的读数m_c，计算临界载荷F_c＝－m_cg；

(9)根据式(2)计算木材纤维的拉伸强度σ，

其中，F_c为纤维断裂时的临界载荷，S为纤维的截面积；

(10)木材纤维断裂后，天平示数自动归零，操作滑走式切片机下移L型支架直至L型支架上的紫外固化胶与底座上的紫外固化胶正好触碰为止，此时天平示数刚好为正，记录此时的步进长度，该长度即为单根木材纤维的初始长度L。