基于納米壓痕技術(shù)的棉稈微觀力學(xué)性能分析

羅樹麗 弋曉康 張有強(qiáng) 周 嶺

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

棉花是重要的國民經(jīng)濟(jì)作物，也是紡織行業(yè)的主要原材料。在棉花的發(fā)育、生長、成熟過程中，棉花秸稈（簡稱棉稈）對棉花的支撐、輸導(dǎo)和信息傳遞起著非常重要的作用［1-2］。另外，待棉花成熟后，棉稈已是一種木質(zhì)化程度很高、韌皮纖維極豐富的硬質(zhì)秸稈，具有容重、熱值高等優(yōu)點的生物質(zhì)材料，為新能源、建筑材料、制板造紙等領(lǐng)域提供熱源或原材料。

就其結(jié)構(gòu)而言，棉稈是一種多尺度、多孔、階梯狀且具有特殊分子力學(xué)現(xiàn)象的生物質(zhì)材料。在宏觀上，棉稈是由細(xì)胞通過胞間層黏結(jié)而成具有高度各向異性的天然材料。在微觀上，棉稈細(xì)胞壁是以木質(zhì)素為基，纖維素、半纖維素等高分子材料聚合而成［3-4］。棉稈的體表形態(tài)、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀力學(xué)性能有密切關(guān)系，體表形態(tài)的不同是由于外部環(huán)境及生長發(fā)育過程中內(nèi)部的生長差異引起的，分析內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征有助于建立微觀尺度到宏觀尺度的橋梁。

納米壓痕技術(shù)在金屬材料、生物材料的微觀力學(xué)性能表征中已廣泛應(yīng)用［5-7］。上世紀(jì)90年代，納米壓痕技術(shù)首次應(yīng)用于木材，為木材微觀力學(xué)研究開辟新方法［8］。此后，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用到生物質(zhì)材料領(lǐng)域，余雁等［9-10］基于納米壓痕技術(shù)分析了木材細(xì)胞層的硬度和彈性模量；Gindl等［11-12］應(yīng)用納米壓痕技術(shù)對針葉材管胞細(xì)胞壁力學(xué)性能進(jìn)行表征；韓志武等［13］對鐵力木年輪層間的微觀力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

在以往的實驗研究中，對棉稈的宏觀力學(xué)性能已進(jìn)行了大量研究［14-16］。但是對棉稈的微觀力學(xué)性能關(guān)注不夠，特別是棉稈細(xì)胞壁水平的力學(xué)性能鮮有研究。為此，本文以棉稈枝莖為研究對象，基于電子掃描電鏡（SEM）和納米壓痕技術(shù)分析棉稈的微觀結(jié)構(gòu)特征和亞微米力學(xué)性能，探討棉稈各層組織的納米壓痕硬度和彈性模量變化，其研究結(jié)果為棉稈生產(chǎn)、加工機(jī)械關(guān)鍵部件的強(qiáng)度設(shè)計、材料選擇及熱處理提供理論基礎(chǔ)。

1 原理

納米壓痕的測試結(jié)果通過載荷與壓入深度的曲線計算得出，載荷與壓入深度的曲線包括加載和卸載曲線。加載曲線承載硬度信息，卸載曲線包含了彈性模量的信息。圖1（a）為典型的納米壓痕加載和卸載過程曲線。根據(jù)硬度定義可知，硬度計算采用下式表示。

式中，H為微觀硬度（GPa），P是壓痕曲線的最大載荷（μN(yùn)），A為最大載荷作用下接觸表面的投影面積。

目前納米壓痕測試方法使用最廣泛的是Oliver-Pharr方法，該方法是1992年由Oliver和Pharr在Loubet［17］和 Nix［18］等工作基礎(chǔ)上提出。

圖1（b）為典型的納米壓頭在加載和卸載過程壓痕剖面示意圖。在圖1（b）中，h為壓痕深度，hc為壓痕接觸深度，a為接觸半徑，hf為殘余深度。

根據(jù)Oliver-Pharr方法，納米壓頭的接觸深度與總的壓痕深度關(guān)系為

式中，S為彈性接觸剛度，ε為壓頭形狀相關(guān)參數(shù)，一般對于球形或四面體形壓頭，ε=0.75。

圖1 納米壓痕曲線

納米壓痕的接觸面積A是接觸深度hc的函數(shù)，可以采用經(jīng)驗公式A=f（hc）來表示，實際上接觸面積一般表示為一個級數(shù)。

式中，Ci是與壓頭形狀有關(guān)的標(biāo)定常數(shù)，C0=24.65，C1=202.7，C2=0.033 63，C3=0.931 8，C4=0.028 27，C5=0.037 16，C6=1.76 3，C7=0.041 02，C8=1.881。

式（2）中，S為彈性接觸剛度，即卸載曲線端部的斜率，如圖1（a）示意所示。

一般通過曲線擬合求出，但是擬合整條卸載曲線得到的斜率誤差較大，通常對卸載曲線頂部25%～50%的區(qū)間擬合。

根據(jù)彈性接觸理論，復(fù)合彈性模量可定義為

式中，β是與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)，對于布氏壓頭β=1.034，維氏壓頭β=1.012，圓柱壓頭β=1.0。被測樣品的彈性模量為

式中，E和Ei分別為被測樣品和壓頭的彈性模量；v和vi分別為被測樣品和壓頭的泊松比。一般而言彈性模量對泊松比不敏感，對于絕大多數(shù)材料泊松比為0.25左右，高分子材料為0.3左右。

2 實驗材料與方法

實驗測試所用的棉稈產(chǎn)地為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師十二團(tuán)，品種為新陸中37號。待棉花機(jī)械采收后獲取棉稈（11月15日至25日），選擇枝莖稈順直、無病蟲害、無缺陷及直徑為3～4 mm之間。首先，利用鋒利刀片將棉稈枝莖樣品切成5 mm長圓柱段，采用環(huán)氧樹脂無包埋冷鑲樣后，然后用拋光機(jī)（Tegramin,Struers,丹麥）對橫切面進(jìn)行仔細(xì)拋光，依次采用砂紙（SiC，F(xiàn)EPA P#4000，Struers）和 MD-Mol APS拋光布，轉(zhuǎn)速120 rpm。經(jīng)橫切面拋光磨平后在50℃的干燥箱保溫烘干24小時，制備的棉稈枝莖階梯組織界面清晰、表面平整，樣品如圖2（a）所示。

實驗所采用納米壓痕儀是瑞士CSM儀器公司生產(chǎn)，該納米壓痕儀載荷范圍為0.1～1000 mN，可用于分析有機(jī)物與無機(jī)物材料的納米硬度。表面形貌采用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測與表征。

將拋光后試樣固定到納米壓痕儀的試樣臺上進(jìn)行測試。采用金剛石布氏四面體形壓頭，載荷加載方式為線性加載，最大載荷為10 mN，加載速率為20 mN/min，卸載速率為20 mN/min，設(shè)置棉稈泊松比為0.3。實驗溫度25℃，濕度26.7%。

為了便于計算各部分的相對體積，理想的棉稈枝莖橫切面示意圖如2（b）所示，字母A表示皮部，B表示木質(zhì)部，C表示髓部。棉稈枝莖為階梯多尺度天然生物質(zhì)材料，硬度分布沿橫切面半徑從外向里逐漸降低。為了準(zhǔn)確描述棉稈枝莖的硬度分布，分別對皮部和木質(zhì)部進(jìn)行納米硬度測試。

圖2 棉稈枝莖橫切面

3 結(jié)果與分析

3.1 微觀結(jié)構(gòu)表征

通過顯微鏡對直徑為3.2 mm棉稈枝莖的橫切面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析?？梢钥闯鰳?gòu)成棉稈枝莖的皮部、木質(zhì)部和髓部邊界清晰可見。皮部的最外表層呈破裂不完整狀態(tài)，含色素顏色較深。周皮由木栓細(xì)胞構(gòu)成，周皮內(nèi)側(cè)受擠壓細(xì)胞形狀極不規(guī)則，多呈中空腔扁平束狀纖維、細(xì)胞壁較厚，如圖3（a）所示。

木質(zhì)部由管孔狀的導(dǎo)管、管胞和木纖維組成，細(xì)胞腔大，細(xì)胞之間的空隙數(shù)量較多，這些空隙主要是蓄積水分以及為水分輸送提供途徑?？拷げ抗芸酌芏。B接髓部的管孔較大、且疏松，中間形成過渡。另外，在木質(zhì)部區(qū)域存在徑向排列分布的木射線，如圖3（b）所示。

髓部都是較大的薄壁細(xì)胞組成，截面呈正六邊形結(jié)構(gòu)，外接圓直徑約60 μm，細(xì)胞排列疏松、有明顯的胞間隙，塑性較大，如圖3（c）所示。薄壁細(xì)胞呈現(xiàn)為竹節(jié)狀中空結(jié)構(gòu)，竹節(jié)層分布微米級細(xì)小孔洞，如圖3（d）所示。

此外，從徑向尺寸來看，皮部很薄大約只有0.2 mm厚，木質(zhì)部約0.5 mm厚。皮部、木質(zhì)部和髓部體積比大致比例為23∶45∶32。表明棉稈的重量主要集中在皮部和木質(zhì)部，超過30%髓部屬于低密度高體積的中空結(jié)構(gòu)。

3.2 硬度與彈性模量表征

圖4（a）和圖5（a）分別為棉稈枝莖皮部和木質(zhì)部橫切面納米壓痕形貌，圖4（b）和圖5（b）對應(yīng)的加卸載曲線。從加卸載曲線可以看出，皮部壓痕曲線的較為集中，而木質(zhì)部的壓痕曲線較為離散。主要是因為木質(zhì)部存在于皮部和髓部中間的過渡區(qū)域，起著“承前啟后”的作用，導(dǎo)致木質(zhì)部細(xì)胞壁靠近皮部的強(qiáng)度高，貼近髓部的塑性好。所以相比于皮部在微觀力學(xué)信息，在壓痕曲線上表現(xiàn)為比較離散。另外，從加卸載曲線也表明木質(zhì)部的殘余壓痕深度明顯大于皮部。

針對殘余壓痕而言，與木質(zhì)部相比皮部殘余壓痕清晰可見（圖4（a）中紅色線條區(qū)域），木質(zhì)部殘余壓痕模糊不清。這表明皮部的壓痕過程主要以塑性變形為主，彈性恢復(fù)較小，而木質(zhì)部彈性恢復(fù)能力明顯高于皮部。表1給出了棉稈枝莖皮部和木質(zhì)部的彈性模量和硬度分布，從平均值來看皮部的彈性模量是木質(zhì)部2倍以上，硬度則小于2倍。此外，例如木材（杉木、竹材）皮部彈性模量大約20～25 GPa，硬度0.4～0.6 GPa［9-10］。通過比較發(fā)現(xiàn)，棉稈皮部彈性模量與木材基本相同，但硬度低于木材，可見棉稈韌性較強(qiáng)。

此外，由于棉稈枝莖的髓部多為孔洞狀結(jié)構(gòu)，并且細(xì)胞壁很薄。因此未能采用納米壓痕儀測試到髓部的彈性模量及硬度。

圖3 棉稈枝莖橫切面微觀形貌

圖4 皮部納米壓痕

圖5 木質(zhì)部納米壓痕

表1 棉稈彈性模量與硬度

4 結(jié)論

（1）棉稈內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能有密切關(guān)系，測試和表征內(nèi)部微觀力學(xué)特征有助于建立微觀尺度到宏觀尺度的橋梁。

（2）展現(xiàn)了棉稈枝莖的橫切面微觀階梯狀結(jié)構(gòu)特征，皮部、木質(zhì)部和髓部體積比大致比例為23:45:32，表明棉稈枝莖的主體是木質(zhì)部。

（3）基于納米壓痕技術(shù)表征了棉稈皮部和木質(zhì)部的微觀力學(xué)性能，結(jié)果表明皮部的彈性模量是木質(zhì)部2倍以上，納米硬度小于2倍。該研究結(jié)果為棉稈粉碎機(jī)械、收獲機(jī)械及采棉機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計及磨損提供理論基礎(chǔ)。