木材高強微波處理及其結構失效機制研究進展

王振宇，林蘭英，傅峰*，周永東，李善明，彭立民，伊松林

(1. 中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091； 2. 北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，北京 100083)

木材不僅是當今社會常用建筑材料中唯一可再生、可降解的生物質材料，而且具有強重比高、紋理美觀、絕緣隔熱等獨特的優(yōu)良性能。如今，木材已被廣泛地應用于家具制造、室內外裝飾、人造板生產等行業(yè)領域，是國民經濟建設的重要生產資料和人民生活必不可少的物質資源。然而，盡管經過長期的經營與維護，我國森林資源已在整體上呈現(xiàn)數量持續(xù)增長、質量不斷提升、效能日益增強的良好發(fā)展態(tài)勢，但我國仍是一個缺林少木的國家，森林資源總量相對不足，有限的森林資源既要提供經濟產出，又要發(fā)揮其在生態(tài)安全與文化服務方面的重要價值[1]。此外，在我國實施天然林保護工程以及優(yōu)質木材資源進口壓力驟增的大背景下，雖然人工速生林得到大面積種植，但其木材材質尚不能與天然林木材相媲美，這也放大了我國森林資源質量不高的短板，使得我國優(yōu)質木材資源的供需矛盾日趨尖銳。

人工林速生材往往存在強度低、不耐腐、尺寸穩(wěn)定性差等材質缺陷，嚴重制約了其實木化利用，因而多被作為人造板生產的主要原料。我國不僅人工林面積居世界首位，而且國內木制品市場規(guī)模巨大，在這些因素的推動下，我國現(xiàn)已成為全球最大的人造板生產、消費和貿易國。雖然人造板具有木質資源利用率高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但其也缺少了實體木材的天然紋理、質感和文化內涵等諸多特征，而且其在生產、使用過程中涉及的甲醛釋放等環(huán)保問題也被廣為詬病，很難真正取代實體木材;因此，要從根本上緩解我國木材供需矛盾，仍需從改善速生材材質入手，探索速生材實木化利用的新途徑。為了達成這一目標，眾多學者基于物理、化學及生物的方法[2]，在木材功能性改良領域進行了深入的研究，提出了諸如乙?；痆3]、高溫熱處理[4]、樹脂浸漬[5]、溶膠-凝膠法[6]等一系列木材改性方法，實現(xiàn)了低質材的材性改良，甚至在一定程度上賦予了木材新的功能化特征，提高了木制品的附加值。較為常用的木材功能性改良方法中，大多涉及向試材中注入改性劑(或功能體)這一過程，且改性劑的注入量、注入深度以及均勻程度與改性效果密切相關。盡管木材是一種多孔性材料，但受限于其流體通道的獨特微觀構造[7]，導致木材的滲透性并不高[8]，改性劑難以均勻地浸注到木材內部，這也在很大程度上影響了改性效果，成為制約速生材功能性改良及開發(fā)利用的關鍵問題。

木材高強微波處理技術是一種綠色、高效、快捷的木材預處理方式，能夠大幅提升木材的滲透性能。微波作為一種特定頻率的電磁波，具有獨特的熱效應，通過其對物體進行加熱可實現(xiàn)極好的穿透性、選擇性和均勻性，并且加熱速度快、熱慣性小，早期在木材加工領域中的應用主要集中于木材干燥[9-10]。與傳統(tǒng)微波干燥不同，高強微波處理(通常能量密度大于50 kW·h/m3)使木材中的極性分子，尤其是水分子在短時間內吸收大量微波能，并在交變電磁場中因取向旋轉相互摩擦碰撞產生熱量，從而引起試材中水分的快速汽化，產生大量蒸汽；隨著木材內部溫度的升高和蒸汽量的增加，水蒸氣壓力迅速上升，木材內外壓力差不斷增大，最終在木材的薄弱環(huán)節(jié)處引發(fā)破壞失效，從而產生大量微觀或宏觀裂隙。新流體通道的出現(xiàn)，顯著改善了木材的滲透性能，為木材改性及功能化提供了有利條件[11]，也為進一步開展木材功能性改良或結構優(yōu)化，并最終實現(xiàn)速生材實木化利用奠定了基礎(圖1)。

圖1 基于高強微波處理的速生材實木化利用過程Fig. 1 The solid utilization of fast-growing wood based on high-intensity microwave treatment

隨著高強微波處理技術在全面提升速生材材質、擴大速生材實木化利用范圍中的作用日益凸顯，越來越多的專家學者開始關注其在木材加工領域中的應用，并開展了一系列關于木材高強微波處理技術及其產業(yè)化應用的研究與嘗試[12-14]。與此同時，由于高強微波處理產生的木材宏觀組織結構及滲透性能變化通常是其細胞壁微觀結構與性能的反映[15]，因此為了深入探究高強微波處理導致木材結構及材性變化的內在機理，并對高強微波處理效果進行有效調控，就需要結合木材的多尺度結構特征，準確認識和掌握其各層級結構在高強微波處理過程中的失效機制?；诖耍P者在系統(tǒng)總結前人有關木材高強微波處理技術研究現(xiàn)狀的同時，立足于木材自身的多尺度結構特征，并引入木材弱相結構這一概念，對近年有關微波作用下木材多尺度結構失效機制的研究進展進行綜述，以期為后續(xù)木材高強微波處理技術的機理研究及推廣應用提供參考與借鑒。

1 木材高強微波處理技術

利用微波加熱木材的歷史可追溯至20世紀60年代，受限于當時并不成熟的微波技術水平和較高的處理成本，木材微波處理技術始終沒有得到大范圍的推廣應用。直至20世紀90年代，得益于微波技術及相關設備的發(fā)展與進步，木材微波處理技術再次受到廣泛青睞，并在木材微波干燥的基礎上形成了以改善木材滲透性為首要目的的木材高強微波處理技術。相應的，眾多木材微波處理設備相繼問世，其主要可分為兩大類：能夠實現(xiàn)處理環(huán)境溫濕度、真空度可調的箱體式微波設備，可連續(xù)進出料、生產效率較高的隧道式微波設備(圖2)。無論在何種設備中，產生微波并決定設備功率的核心部件均為磁控管。單個磁控管微波源的功率一般為5～100 kW,通過將多個微波源進行疊加，木材微波處理設備功率可達300 kW[16]。微波功率與處理時間共同決定了在微波處理過程中木材單位體積所吸收的能量，即微波能量密度，這也是影響木材微波處理效果的關鍵因素。

圖2 隧道式木材微波處理設備Fig. 2 The 200 kW tunnel-type microwave equipment of CRIWI for wood treatment

1.1 高強微波處理對木材材性的影響

傳統(tǒng)的木材微波干燥等低能量密度處理旨在利用微波獨特的加熱特性，實現(xiàn)試材內外的同時均勻加熱，從而提高干燥速率及干燥質量，而木材自身結構及材性并無明顯變化。但在高能量密度微波處理中，由于高溫高壓蒸汽造成了木材結構較大程度的破壞，所以也導致了木材材性受到顯著影響。研究表明，高強微波處理材材性方面的變化主要體現(xiàn)在滲透性能與力學性能兩個方面。

1.1.1 高強微波處理材的滲透性能

經過高強微波處理后，新產生的流體通道是導致試材滲透性能提升的主要原因。Torgovnikov等[14]發(fā)現(xiàn)，在70～330 kW·h/m3的范圍內，隨著微波能量密度的升高，木材中產生的宏觀裂紋不斷增多，木材滲透性的增長幅度從最初的1.1～1.5倍，上升至數千倍。Poonia等[17]對喜馬拉雅長葉松進行微波處理后，處理材順紋方向氣體滲透率較未處理材提高了近3倍，酸性鉻酸銅防腐劑(ACC)浸漬量則增長了超4倍。Samani等[18]在研究不同類型防腐劑在楝樹中的浸漬特性時，通過預先對試材進行微波處理，也達到了顯著提升各類防腐劑浸漬量與浸漬深度的效果。胡嘉裕等[19]通過研究微波處理楊木的染色效果發(fā)現(xiàn)，微波處理90 s時，試材上染率和固色率分別較未處理材提高了21.15%和21.44%，且隨微波處理功率的增大，試材染色效果更佳。Chai等[20]則基于高強微波處理后試材中孔道打開引起的滲透性能提升，較為均勻地向木材中浸漬了密度為7 400 kg/m3的金屬合金，獲得了密度為2 520～4 020 kg/m3性能獨特的金屬化木材。

高強微波處理材滲透性的提升，除了表現(xiàn)在有利于各類改性劑向木材中的導入，也反映在木材內部水分傳輸能力的大幅改善。Torgovnikov等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在木材干燥前對試材進行高強微波處理，能夠顯著提高木材中水分的移動速度，從而有效減少木材干燥時間及整體干燥能耗。He等[21]指出，對尾葉桉進行高強度微波處理后，由于紋孔膜、射線薄壁細胞以及導管內侵填體的破壞使得木材縱向、橫向滲透性均明顯提升，干燥速率隨之提高171%，干燥時間縮短了65%。Weng等[22]采用額定功率為20 kW的連續(xù)進給式微波處理設備(圖3)對木材進行預處理后發(fā)現(xiàn)，基于木材中新形成的水分遷移通道，微波處理在加快木材干燥過程的同時，也降低了樣品厚度方向上的含水率差異。

圖3 連續(xù)進給式20 kW木材微波處理設備[22]Fig. 3 The 20 kW continuous feeding microwave equipment for wood treatment

1.1.2 高強微波處理材力學性能

雖然高強微波處理導致的木材組織結構破壞，使得木材滲透性能得到了明顯提升，但往往也伴隨著處理材力學強度的下降。Torgovnikov等[11]指出，隨著微波處理強度的提高，處理材的抗彎彈性模量和抗彎強度呈逐漸下降的趨勢，且弦向力學性能損失較徑向更大，在經55.6～286.1 kW·h/m3的微波處理后，木材弦向抗彎彈性模量和抗彎強度分別降低了17%～65%和15%～80%，徑向抗彎彈性模量和抗彎強度則分別降低了12%～29%和15%～70%；因此，結合高強微波處理材的具體應用場景與目標，合理選擇微波處理條件，控制處理材結構(尤其是厚壁細胞)破壞程度，從而實現(xiàn)滲透性與力學強度的平衡在微波處理技術的應用過程中具有非常重要的意義。Liu等[23]采用“低功率微波-平衡-高功率微波”的工藝流程，對含水率為25%的落葉松木材進行處理，在基本維持力學性能的前提下使木材滲透性提高了約3倍。Hermoso等[24]提出，為了平衡桉木滲透性與力學性能，應在100～120 kW·h/m3范圍內選擇微波處理強度。

此外，在適當的條件下，高強微波處理不僅不會造成試材力學強度的大幅度下降，還會對處理材的某些力學特征產生積極影響。Aksenov等[25]的研究結果顯示，相較于傳統(tǒng)的對流加熱方式，經微波處理后，木材表面硬度的提升程度更高。在干燥前進行高強微波預處理，也能通過在木材內部引發(fā)物理、化學松弛，使木材內部應力得到釋放，明顯減少因木材內部應力產生的開裂、變形等缺陷，有效提高干燥質量[14,26]。Harris等[27]研究表明，采用強度為70 kW·h/m3的微波對木材進行預處理，可使干燥后無缺陷材的比例提高24%。D?mény等[28]基于微波處理過程中水熱共同作用引起的木材基質軟化與木材流變特性變化，完成了木材密實化處理前所需的塑化過程。研究結果顯示，微波作用起到了較好的木材塑化效果，不僅使得壓縮后木材密度分布更加均勻，而且壓縮過程并沒有對木材細胞壁結構造成明顯破壞。與之類似，當將高強微波預處理用于輻射松木材的彎曲定型過程時，在微波能量密度為63.1 kW·h/m3的條件下，可使試材彎曲系數達到0.032，優(yōu)于白蠟、榆木等彎曲性能優(yōu)良的材種[29]。

1.2 木材高強微波處理效果的影響因素

高強微波處理對木材材性的影響效果與很多因素相關，除了前文提到的微波能量密度，微波頻率、微波場分布、微波饋口數量，以及木材自身的含水率、介電常數等特性都會影響到處理過程中木材內部的溫度及蒸汽壓力，并最終影響微波處理效果；所以，對微波處理效果的影響因素進行研究與分析，是精準調控高強微波處理材材性的重要環(huán)節(jié)。

高強微波處理過程中，木材內部的溫度及壓力變化是造成木材材性變化的直接原因。微波作用下木材內部溫度的變化過程可概括為快速升溫、恒溫、后期升溫3個階段，蒸汽壓力最大值通常出現(xiàn)在恒溫階段。當微波功率提高時，木材內部溫度上升速率加快，恒溫段溫度及蒸汽壓力峰值增大，但恒溫段時間及壓力保持時間相應變短[30]。微波頻率主要決定微波在木材中的穿透深度，當微波難以穿透試材時，會導致微波能量利用率降低，處理材內部溫度場均勻性變差，從而影響處理效果。木材微波處理采用的微波頻率多為2 450或915 MHz，兩者對應的波長分別為12.2 與33.5 cm，后者在木材中具有更大的穿透深度，適用于處理尺寸相對較大的試材。由于微波場的分布情況也會對處理效果產生影響，因此通過優(yōu)化諧振腔結構提高微波場均勻性，一直是微波設備設計與制造過程中需要考慮的重要內容，常見的優(yōu)化方式包括：適當增加諧振腔體積與諧振模式，或通過在諧振腔內加設風扇狀金屬攪拌物使微波充分反射并形成駐波場等[31]。同時，通過模擬微波處理材內部溫度場發(fā)現(xiàn)，增加饋口數量，將單向饋入變?yōu)殡p向饋入甚至多向饋入，也能夠實現(xiàn)提高處理效果均勻性的目的[32-33]。此外，微波場方向與木材紋理方向兩者間相對關系的變化也會使木材處理效果產生差異，當微波沿木材順紋方向饋入時，木材對微波的吸收率是橫紋饋入時的1.6～2.1倍，且木材受熱更加均勻；而橫紋饋入時，則更利于迅速打通木材內部水分通道并提高試材的滲透性[11]。在木材自身特性對微波處理效果的影響方面，木材含水率是需要重點考慮的因素之一。廖春榮等[34]發(fā)現(xiàn)，微波在木材中的穿透深度會隨著木材含水率的增加而減??；熊令明等[35]則指出，試材含水率對木材微波吸收能力有重要影響，當含水率為40%～60%時，微波處理對試材結構破壞最為嚴重。從木材介電特性對木材吸收微波能量過程的影響看，介電常數越大，試材吸收的微波能也就越多；故Ramasamy等[36]基于木材介電常數的變化規(guī)律，對木材在微波場中的一些響應特征進行了解釋，指出微波處理效果之所以與木材含水率、紋理方向等因素有關，是因為介電常數會隨木材密度和含水率的增加而增加，而且順紋方向的介電常數高于橫紋方向。

2 木材多尺度弱相結構及其在微波作用下的失效機制

木材的弱相結構是一個相對概念，由于木材內部各組成單元之間性質存在差異，在受到外界作用時最先萌生破壞失效的結構位點便被稱為木材的弱相結構。在高強微波處理過程中，木材的材性變化同樣源于微波作用所導致的木材弱相結構的破壞失效，且弱相結構的破壞程度及發(fā)展延伸方式直接關系到微波處理效果的好壞；因此，為了厘清木材高強微波處理的深層機理，就必須有針對性地基于木材弱相結構概念，對高強微波處理過程中木材結構的失效機制展開研究。

2.1 木材多尺度弱相結構及其失效機制

木材是一種復雜的多孔性高分子復合材料，并且具有明顯的多尺度結構特征。隨著木材結構從大尺度向小尺度的依次深入，可將其歸納為木材組織結構、細胞壁壁層結構以及納米級高分子結構3個層級。相應的，木材中的弱相結構也具有多尺度性，普遍存在于木材內的各基本組織(細胞)之間、木材細胞壁內各層之間以及木材化學組分之間。

近年來，探究不同尺度木材結構單元在各類外部作用下的響應，逐漸成為木材科學的前沿領域，相關研究不斷增多，但少有研究明確提出弱相結構并揭示其失效機制。力學載荷不僅是木材使用過程中較為常見的外部作用形式，而且在微波處理導致木材結構失效的過程中也發(fā)揮著重要作用。在木材組織結構尺度上：王東[37]發(fā)現(xiàn)順紋拉伸時木材破壞始于早材交叉場區(qū)域管胞，而施加順紋彎曲載荷時，木材由受拉部位最外側的交叉場區(qū)域的管胞處開始發(fā)生破壞；任寧等[38]發(fā)現(xiàn)木材中由拉伸產生的裂紋在遇到導管、早晚材邊界等結構時往往會改變原先的擴展方向，并順著這些組織的邊緣延展。在壁層結構尺度上：Zink等[39]研究表明木材順紋拉伸時，細胞壁會發(fā)生細胞壁橫斷、壁層內部破壞、胞間層分離3種情況，其中壁層內部破壞往往發(fā)生在S1和S2層之間；Wang等[40]通過構建細胞壁多層結構模型并結合有限元分析指出，在順紋拉伸時，管胞應力集中和初始斷裂主要位于S2層，而在剪切載荷下，應力集中和初始斷裂多位于S1與S2層間的界面處。在納米級高分子結構尺度上：Stevanic等[41]提出在外載荷的作用下木材化學組分內的C—C和C—O共價鍵受到破壞，從而導致細胞壁骨架分子解體，是細胞壁破壞失效的主要原因；Wang等[42]基于順紋拉伸載荷下應壓木與普通木材高分子結構的變化差異，探究了木材細胞壁的變形機理，指出應壓木在靜態(tài)紅外光譜中的纖維素糖苷鍵及分子內氫鍵特征峰在拉伸后出現(xiàn)較普通木材更大的位移，而在動態(tài)拉伸過程中應壓木纖維素和基質間較大的相對滑移也令其細胞壁結構發(fā)生更大變形。

除了力學載荷，國內外學者也分別對水、熱、微生物等其他多個單一或協(xié)同外界作用形式下木材不同尺度結構的失效機制開展了廣泛研究[43-47]。蒸汽爆破預處理是較為典型的協(xié)同外界作用形式，并且涵蓋了微波處理中同樣涉及的水、熱、力共同作用過程，因而其所導致的木材多尺度弱相結構失效與高強微波處理具有一定的相似性。Muzamal[48]在蒸汽爆破處理后的木材內部發(fā)現(xiàn)了由于蒸汽壓力快速釋放造成的導管變形、開裂以及紋孔結構破壞。Marques等[49]提出，蒸汽爆破預處理不僅能夠通過機械破壞提高處理材料的比表面積及其中纖維素組分的可及度，而且處理過程所對應的高溫高濕環(huán)境，會導致水合氫離子的產生，并由此引發(fā)半纖維素的水解，生成有機酸，從而催化纖維素、半纖維素、木質素間醚鍵與酯鍵的斷裂及主要化學組分的降解。

2.2 高強微波作用下的木材多尺度弱相結構失效機制

長期以來，國內外學者大多將木材組織結構的破壞作為解釋高強微波處理材材性變化的主要原因，對木材組織結構尺度上發(fā)生的結構失效討論也相對較多。呂悅孝等[50]對微波處理楊木和水曲柳的組織構造進行觀察發(fā)現(xiàn)，處理后木材的紋孔膜發(fā)生破裂，導管內侵填體成分明顯減少并重新分布。也有研究指出，微波處理還會造成木材射線薄壁細胞和樹脂道破裂，甚至引起管胞壁的破壞[23,51]。Liu等[52]通過觀察高強微波處理后落葉松的組織結構發(fā)現(xiàn)，微波作用對管胞的破壞主要集中在早材區(qū)域，而晚材管胞受到的影響則較小。根據Torgovnikov等[11]的總結，隨著微波處理強度的增加，可將木材組織結構的破壞概括為3個階段：首先出現(xiàn)的是紋孔膜的破裂以及侵填體等內含物成分分布的改變；隨后射線薄壁細胞遭到破壞；最后出現(xiàn)管胞、木纖維等厚壁細胞細胞壁的破壞。但也有許多學者提出了不同觀點或對該結論進行了進一步補充。王婧[53]在微波處理尾葉桉時發(fā)現(xiàn)，雖然木纖維間的復合胞間層和木纖維壁上均出現(xiàn)了裂紋，但射線薄壁細胞卻只發(fā)生了一定程度的變形，并未破裂；何盛[54]也提出，微波處理過程中裂紋主要產生于胞間層區(qū)域，且相互垂直排列的不同類型細胞間的胞間層更易被破壞。

在木材細胞壁壁層結構尺度上，研究發(fā)現(xiàn)不僅紋孔結構會在細胞壁失效過程中扮演重要角色，而且細胞壁各壁層內微纖絲排列的方式、主要化學組分的分布等也會對失效形式有重要影響。Terziev等[55]在微波處理提高輻射松滲透性的研究中指出，微波處理會導致管胞細胞壁瘤層及S3層上產生裂隙，并對紋孔口造成破壞；同時，由于S3層微纖絲排列規(guī)則性較差，因此裂隙的生成及發(fā)展也沒有體現(xiàn)出明顯的規(guī)則性，而紋孔附近的裂隙則一般會沿著紋孔口延伸至細胞壁S2層。Weng等[56]的研究則更為深入地描述了自具緣紋孔端部延伸至管胞細胞壁的裂隙不僅會隨著微波處理強度的增強而擴大延長，而且裂隙發(fā)展的方向與S2層微纖絲取向一致。何盛[54]從細胞壁各壁層化學成分差異的角度出發(fā)，提出由于復合胞間層的纖維素含量較低，木質素含量相對較高，微波處理產生的高溫高濕環(huán)境可使復合胞間層內大量的木質素迅速軟化，從而導致其強度下降并率先出現(xiàn)裂紋、發(fā)生失效。另外，他認為相互垂直排列的細胞間的胞間層更易發(fā)生失效的主要原因是兩者細胞壁中微纖絲排列方向不同。Li與柴媛等[57-58]分別通過建立簡化的細胞壁模型，對微波處理過程中木材薄壁細胞的受力情況及破壞條件進行了理論分析。研究指出，當細胞內外壓力差增大到一定程度后，細胞會出現(xiàn)“屈服”現(xiàn)象，且該臨界壓強隨細胞半徑的增加而減小。由此推測，微波處理引發(fā)木材結構失效所需的最小壓強應為試材最大薄壁細胞破壞時的壓強。經計算，在桉木與楊木中需達到的溫度與壓強分別為168 ℃、0.84 MPa和184 ℃、2.03 MPa。

結合木材多尺度結構特征，通過對微波作用下木材組織結構、細胞壁壁層結構以及納米級高分子結構等多個層級中的弱相結構進行定位，并研究其微波響應特性，可初步總結出微波處理過程中木材多尺度結構的失效機制。首先，從整體上看在不同微波處理條件下，微波的非熱作用及其在木材細胞內產生的高溫高壓蒸汽會率先引起木材主要化學組分間化學鍵的斷裂，并導致半纖維素、纖維素等高分子結構的破壞、降解或重新排列；其次，高分子結構的降解及排列方式的改變會影響木材細胞壁壁層結構，造成細胞壁微力學性能發(fā)生改變，并在外部作用與內部應力的共同影響下引發(fā)細胞壁尺度上的破壞失效；隨后，細胞壁壁層結構中的缺陷會繼續(xù)發(fā)展延伸，逐漸形成木材組織結構尺度上的破壞，并最終對木材的整體結構與性能產生影響。

3 展 望

近些年高強微波處理技術在木材加工領域中的廣泛應用，以及關于其對木材材性影響研究的不斷深入，再次證明了微波處理技術能夠在速生材實木化、高值化利用過程中發(fā)揮重要作用。與此同時，基于木材多尺度結構特征開展的高強微波作用下木材結構失效機制研究，也在一定程度上揭示了木材微波處理技術的作用機理。但現(xiàn)有的研究仍存在一定的局限性，筆者認為今后可從以下領域開展更為深入的研究工作：

1)精準定位高強微波作用下的木材多尺度弱相結構。木材結構破壞原因的復雜性、多樣性均有可能造成微波處理后出現(xiàn)多種類型的結構單元失效，從而導致弱相結構定位不夠明晰。因此，一方面可通過調整微波處理工藝，減少不同結構單元失效過程的重疊，厘清各失效形式出現(xiàn)的先后關系，減少弱相結構誤判；另一方面，不能僅將表觀破壞作為判定弱相結構的唯一依據，還需充分結合各結構單元的失效機制，明確高強微波處理所引發(fā)的具有代表性的弱相結構所在。

2)深入闡明高強微波處理中各作用形式間的耦合關系。高強微波處理本質上可看作是一種由水、熱、力復合而成的復雜外界作用形式，但現(xiàn)有研究尚未充分闡明其中各單一作用相互間的耦合關系。故可分別對試材施加微波處理中涉及的一種或幾種單一外界作用，在不同程度上模擬木材微波處理過程，并通過比較木材弱相結構失效情況，探明各外界作用間的耦合關系，消除高強微波處理中的黑箱過程，深刻揭示弱相結構失效機制。

3)全面構建高強微波作用下的木材多尺度弱相結構失效理論體系。僅在木材多尺度結構中的某一層級下研究弱相結構對微波作用的響應特性，而缺乏對不同層級間弱相結構相互聯(lián)動機制的系統(tǒng)性總結，很難從本質上厘清微波作用下木材多尺度弱相結構的失效機制及其與木材材性間的關系。所以，應基于木材多尺度結構特征，從相鄰層級間的弱相結構失效入手，逐步建立高強微波處理材自微觀高分子結構到木材宏觀材性間的聯(lián)系，完善現(xiàn)有弱相結構失效理論體系。

總而言之，木材高強微波處理作為實現(xiàn)速生材實木化利用、緩解我國木材供需矛盾的關鍵技術，有著巨大的發(fā)展與應用潛力。針對現(xiàn)有研究的不足，通過在木材多尺度弱相結構定位、微波處理中各作用形式耦合關系闡明，以及多尺度弱相結構失效理論體系構建等方面展開深入研究，從而厘清高強微波處理過程中木材多尺度弱相結構的失效機制，完善木材微波處理基礎理論，對精準調控微波處理過程，擴大其應用范圍，具有非常重要的理論意義與實踐價值。