高地鉤葉藤的主要物理力學(xué)性能研究

薛 夏，季必超，汪佑宏，王鵬程

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036)

棕櫚藤（Rattan）屬棕櫚科（Palmae），是具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開發(fā)前景的熱帶和亞熱帶森林中的單子葉植物資源[1]，藤莖是僅次于木、竹材的重要非木材林產(chǎn)品[2]，被廣泛用于制造家具及工藝品[3-5]。高地鉤葉藤屬于省藤亞科鉤葉藤屬，為攀援、叢生的藤類，在我國(guó)主要分布于云南一些海拔在1 450～1 800 m的竹林和山地常綠闊葉林中；藤莖質(zhì)地較粗糙，一般用于編織較粗糙的藤器或扎欄[6]。

目前對(duì)高地鉤葉藤的研究主要集中在微觀構(gòu)造[7-10]、細(xì)胞壁超微構(gòu)造[11-12]和改性處理[13-15]上，對(duì)高地鉤葉藤的部分力學(xué)性質(zhì)研究雖略有涉及，但也是分別對(duì)藤皮、藤芯進(jìn)行測(cè)量[16-17]，難以真實(shí)反應(yīng)出棕櫚藤制品在使用過程中的受力情況。此外，對(duì)高地鉤葉藤在家具制作等有顯著影響的還是其斷裂性質(zhì)、韌性等。近來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)木材和竹材的斷裂力學(xué)原理進(jìn)行了一些研究，如邵卓平等[18-20]從斷裂原理和實(shí)驗(yàn)上闡述了木材宏觀和微觀斷裂性質(zhì)和強(qiáng)韌機(jī)理，也有學(xué)者對(duì)竹材的斷裂韌性進(jìn)行較為深入的研究[21-22]，而對(duì)棕櫚藤材斷裂韌性的研究則鮮有報(bào)道?？紤]到高地鉤葉藤等棕櫚藤因藤齡、立地條件等因素造成株間材性差異明顯，作者以高地鉤葉藤為研究對(duì)象，對(duì)其韌性等主要物理力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試研究；同時(shí)，運(yùn)用兩種不同方法對(duì)其橫紋和順紋斷裂韌性進(jìn)行了測(cè)試，以期為其綜合加工利用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

高地鉤葉藤（P. himalayanaGriff.）屬省藤亞科鉤葉藤屬，試材采自云南梁河縣，海拔1 480～1 500 m。選取 10 株健康藤莖齊根伐倒，去除葉鞘，測(cè)得藤?gòu)?3 ～ 30 mm，藤莖長(zhǎng)16 ～ 20 m，節(jié)間長(zhǎng)165 ～ 265 mm，從基部向上每2 m長(zhǎng)截?cái)唷⒕幪?hào)。

1.2 方法

參照LY/T 2220.1—2013制備試樣：在每個(gè)取樣單元，從基部向上，第1節(jié)節(jié)間依次截取長(zhǎng)度為50 mm的抗壓強(qiáng)度試樣、35 mm的抗剪試樣，第2節(jié)截取長(zhǎng)為160 mm的抗彎強(qiáng)度試樣，第3節(jié)截取長(zhǎng)為160 mm抗拉強(qiáng)度試樣。所有試樣在溫度為20 ℃、濕度為65%條件下調(diào)節(jié)含水率至平衡后，再進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，所有力學(xué)試驗(yàn)均用WDW-100E型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)完成。（1）密度及干縮性測(cè)試在抗彎強(qiáng)度測(cè)試后的破壞試件上，參照國(guó)標(biāo)GB/T 1933—2009和國(guó)標(biāo)GB/T 15780—1995規(guī)定截取長(zhǎng)度為2 cm的樣品作為密度試件，測(cè)定其基本密度、氣干密度和絕干密度。藤材干縮性質(zhì)的測(cè)定，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1932—2009中的方法來(lái)進(jìn)行，分別測(cè)量軸向、面積及體積的全干和氣干干縮率。（2）抗拉強(qiáng)度及抗拉彈性模量參照國(guó)內(nèi)外棕櫚藤材抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了順紋抗拉試樣。從長(zhǎng)為160 mm的藤?gòu)街腥√傩九c藤皮的分層抗拉試樣如圖1，試樣尺寸為160 mm (長(zhǎng)) ×10 mm (寬)×2 mm (厚)，兩側(cè)的為藤皮拉伸試樣，中間為藤芯拉伸試樣，破壞處斷面為10 mm× 1 mm。（3）抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量參照竹材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780—1995，試材取整藤節(jié)，長(zhǎng)160 mm，即D×160 mm，采用中央加荷，跨距120 mm，以均勻速度加荷，在(60 ± 30)s內(nèi)使試樣破壞。（4）抗壓彈性模量及抗壓強(qiáng)度參考GB/T 3356—1999和GB/T 1935—2009，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，確定測(cè)試高地鉤葉藤的最佳長(zhǎng)度為30 mm。（5）抗剪強(qiáng)度參照竹材抗剪強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780—1995，設(shè)計(jì)如圖2所示的抗剪試樣。（6）沖擊韌性參照木材沖擊韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1940—2009。（7）斷裂韌性。橫紋斷裂韌性采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行測(cè)試，橫紋斷裂韌性采用緊湊拉伸法進(jìn)行測(cè)試。三點(diǎn)彎曲方式參照ASTM-E 399—2012制成長(zhǎng)100 mm、寬為直徑、厚度5 mm左右的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)疵LR試件，再沿徑向加工出裂紋深度為直徑的1/2，如圖3A所示。在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上，按5 mm·min-1勻速加載。記錄施加載荷(P)和裂紋張開位移(δ)之間的關(guān)系，可以得出裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界載荷 PQ，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出斷裂韌性：

圖1 分層式抗拉試樣Figure 1 Lavered samples of tensile test

圖2 藤材抗剪性能測(cè)試Figure 2 Shear performance test of rattan

圖3 藤材的斷裂韌性測(cè)試Figure 3 Fracture toughness test of rattan

式（1）中，S為支點(diǎn)跨距，B、W分別為試件的厚度和寬度，PQ為裂紋初始擴(kuò)展的臨界載荷，a為預(yù)制裂紋尺寸，f(a/w)為裂紋尺寸系數(shù)，由式（2）定義：

緊湊拉伸方式參照GB4161—1984制成試件高度為H= 20 mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)= 100 mm，厚度為B= 20 mm，預(yù)制裂紋深度為a= 50 mm的試樣，如圖3B所示。萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上，記錄施加載荷(P)和裂紋張開位移(δ)之間的關(guān)系，可以得出裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界載荷 PQ，由公式（3）（4）計(jì)算出斷裂韌性：

式（3）中：

2 結(jié)果與分析

2.1 物理性質(zhì)

2.1.1 密度 密度一般包括氣干密度、基本密度、生材密度和絕干密度。一般而言，密度與其力學(xué)強(qiáng)度存在一定正相關(guān)關(guān)系，即密度越大，其對(duì)應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度往往也越大。由表1可知，高地鉤葉藤的氣干密度為0.44 g·cm-3，高地鉤葉藤的基本密度（0.36 g·cm-3）平均值與其他藤種如鉤葉藤（0.33 g·cm-3）[23]和黃藤（0.39 g·cm-3）相近，低于單葉省藤(0.47 g·cm-3)[24]，可以推斷高地鉤葉藤具有和一般藤種相近的力學(xué)性能。

表1 高地鉤葉藤的3種密度Table 1 Three densities of P. himalayana Griff.

2.1.2 干縮性 藤材的氣干和全干縮率的測(cè)定結(jié)果（表2）顯示，高地鉤葉藤的全干干縮率變化：軸向干縮率為0.45%～0.84%，面積干縮率為5.96%～12.23%，體積干縮率為5.77%～12.63%。氣干干縮率的變化：軸向干縮率為0.13%～0.75%，面積干縮率為1.54%～10.96%，體積干縮率為2.26%～11.53%。高地鉤葉藤的橫向干縮率遠(yuǎn)大于軸向干縮率，這種差異性可能會(huì)對(duì)該藤材的加工利用產(chǎn)生影響。

表2 高地鉤葉藤的氣干干縮率和全干干縮率Table 2 Air-dry shrinkage ratio and oven-dry shrinkage ratio of P. himalayana Griff. %

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗拉性能 由表3可知，高地鉤葉藤藤皮的抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量均明顯高于藤芯，藤皮分層抗拉強(qiáng)度為56.93 MPa，藤芯分層抗拉強(qiáng)度為23.91 MPa，由此可見藤皮對(duì)高地鉤葉藤的抗拉性能有著特殊貢獻(xiàn)，這可能是因?yàn)樘倨さ睦w維含量高于藤芯，纖維的胞壁厚度越大，胞壁實(shí)質(zhì)含量越多，機(jī)械力學(xué)性能越好[22]。

表3 高地鉤葉藤的抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量Table 3 Tensile strength and tensile modulus of P. himalayana Griff.

2.2.2 斷裂韌性 由表4可知，高地鉤葉藤的橫紋斷裂韌性為1 870 kN·m-3/2，順紋斷裂韌性為77.8 kN·m-3/2，橫紋斷裂韌性比順紋斷裂韌性大的多，橫紋斷裂韌性大約是順紋斷裂韌性的24倍，這與高地鉤葉藤纖維的取向密切相關(guān)。同時(shí)在試樣制作時(shí)，三點(diǎn)彎曲法對(duì)藤皮基本進(jìn)行了保留，而緊湊拉伸法由于試樣限制，大部分藤皮都被除去，這也增加了兩種斷裂韌性的差距。因此，在高地鉤葉藤加工使用過程中，要盡可能避免其順紋斷裂。

表4 高地鉤葉藤的斷裂韌性Table 4 Fracture toughness of P. himalayana Griff.

2.2.3 其他力學(xué)性能 抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量是藤材重要的力學(xué)指標(biāo)，是藤材材質(zhì)判斷的主要因子。由表5可知：高地鉤葉藤抗彎強(qiáng)度為49.95 MPa，低于其他藤種如黃藤（65.52 MPa）、單葉省藤材(68.38 MPa)，以及云南省藤（75.46 MPa）[16]，抗彎彈性模量為804.10 MPa；高地鉤葉藤抗壓強(qiáng)度為33.12 MPa，高于黃藤（23.54 MPa）和單葉省藤材(31.59 MPa)[24]，更高于版納省藤（19.67 MPa）等[16]，由此可知高地鉤葉藤抗彎性能較差但抗壓性能較好。此外高地鉤葉藤的抗剪切強(qiáng)度為4.77 MPa，沖擊韌性為184.02 kJ·m-2。

表5 高地鉤葉藤的部分力學(xué)性能Table 5 Partial mechanical properties of P. himalayana Griff.

3 結(jié)論

高地鉤葉藤氣干密度、絕干密度和基本密度分別為0.44、0.46和0.36 g·cm-3。體積氣干干縮率和體積全干干縮率的變化范圍分別為2.91%～8.11%和7.71%～11.36%，干縮各向異性較大。高地鉤葉藤的抗彎彈模、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和沖擊韌性分別為804.10 MPa、49.95 MPa、33.12 MPa、4.77 MPa和184.02 kJ·m-2。高地鉤葉藤抗彎性能較差但抗壓性能較好。三點(diǎn)彎曲法測(cè)得其橫紋斷裂韌性為1 870 kN·m-3/2，緊湊拉伸法測(cè)得其順紋斷裂韌性為77.8 kN·m-3/2，高地鉤葉藤的橫紋斷裂韌性比順紋斷裂韌性大得多，橫紋斷裂韌性大約是順紋斷裂韌性的24倍?？偟膩?lái)看，高地鉤葉藤的材性較差，但可通過改性處理提高其相應(yīng)的性質(zhì)而加以利用。