重組竹彈性常數(shù)測試方法研究進展

崔哲魁， 劉 慶， 李 杰， 張鈺霄， 王孜怡， 王 正

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

上世紀70年代，澳大利亞首先提出重組木的概念，但此后因成本過高、技術(shù)不成熟等諸多問題，導(dǎo)致對重組材的研究工作出現(xiàn)停滯不前現(xiàn)象。我國自上世紀80年代開始對重組木進行科學(xué)研究，并針對我國竹材資源豐富的特點，對重組木的生產(chǎn)工藝進行了完善和改進。特別是1987年，南京林業(yè)大學(xué)研發(fā)出以苦竹為原料的重組竹[1]；重組竹是以竹束為構(gòu)成單元，按順紋組坯、經(jīng)熱壓(或冷壓)膠合而成的板材或方材，由我國最先研制成功，亦是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的一種竹基復(fù)合材料。其突出優(yōu)點是：原材料利用率高，徹底改變了竹材的原有性能，其力學(xué)性能優(yōu)異，物理性能變化較大，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外地板、家具、建筑結(jié)構(gòu)材和裝修裝潢材，以及風(fēng)電槳葉等高強度材料需求領(lǐng)域[2-3]。彈性常數(shù)是反映材料力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。目前國內(nèi)外對于重組竹彈性常數(shù)的測試方法主要有靜力學(xué)方法和動態(tài)測試法。但常規(guī)的靜力學(xué)方法對試件有一定的破壞性，而動態(tài)測試能在不破壞試件的基礎(chǔ)上，可準(zhǔn)確地測試出材料的彈性常數(shù)，已成為當(dāng)前熱點的研究方向，在材料的無損檢測工作中起到重要作用。為此，文中重點介紹了國內(nèi)外測試重組竹彈性常數(shù)方法的研究進展，并根據(jù)目前國內(nèi)測試重組竹彈性常數(shù)工作中存在的主要問題，提出了做好測試重組竹彈性常數(shù)的主要措施，對我國重組竹彈性常數(shù)力學(xué)性能測試技術(shù)水平及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有借鑒作用。

1 國內(nèi)外測試重組竹彈性常數(shù)方法的研究進展

由于重組竹問世時間較短，國內(nèi)外學(xué)者大多是依據(jù)木材檢測的標(biāo)準(zhǔn)，采用靜力學(xué)方法對其進行測試[4-8]，如用電測法測試與分析重組竹彈性常數(shù)的研究成果較為顯著。2012年，張俊珍測量了含水率約為10%的慈竹重組材的彈性模量、泊松比等基本力學(xué)參數(shù)。其研究結(jié)果表明：密度為1.15 g/cm2的重組竹的順紋軸拉彈性模量Et(L)為32.84 GPa，順紋軸壓彈性模量Ec(L)為37.73 GPa，弦向抗壓彈性模量Ec(T)為2.27 GPa；而在重組竹各向的泊松比的比較上，υLR>υLT>υTR，且均在0.4～0.6之間；重組竹的橫紋、順紋彈性模量以及泊松比變異系數(shù)均較小，穩(wěn)定性能好[9]。2015年，李霞鎮(zhèn)等以毛竹為原料制成重組竹，測定了其12個彈性常數(shù)；并對其中變異系數(shù)較大的3個泊松比值進行了修正，進一步驗證了電測法在重組竹彈性常數(shù)測試中的適用性[10]。2016年，付楊等測試了家具用重組竹的彈性常數(shù)，并將其實測值輸入Ansys中進行了仿真模擬[11]。2017年，潘文平通過彈性力學(xué)理論分析，將重組竹的12個彈性常數(shù)縮減為6個，并采用電測法對這6個彈性常數(shù)進行測試。其研究結(jié)果表明，重組竹順紋方向彈性模量比橫紋方向高得多，這是由于順紋方向竹纖維束受力，而橫紋方向主要受力材料為纖維間基體導(dǎo)致的[12]。2020年，伍希志等使用電測法以及有限元仿真方法，測定了CFRP-重組竹復(fù)合試件的彈性模量。其結(jié)果表明：在相同截面條件下，CFRP-重組竹的彈性模量約為重組竹試件的2.33～2.94倍，碳纖維增強聚合物顯著提高了重組竹的彈性模量[13]。目前，國外對于電測法測試重組竹彈性常數(shù)的研究較為缺少，而國內(nèi)學(xué)者在電測法測試重組竹彈性常數(shù)方面取得了一定的研究成果，并從各個方面驗證了其可行性。然而，隨著無損檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來對于重組竹彈性常數(shù)的動態(tài)測試研究取得了長足進展。其中，波速法和振動法為主要的兩種動態(tài)測試方法。

1.1 波速法研究進展

波速法是通過測出波在材料中的傳播速度，從而換算出材料彈性常數(shù)的一種動態(tài)測試方法，主要包括超聲波法和應(yīng)力波法。一方面，對于超聲波法，2016年，Anuj Kumar等人對三種不同密度的毛竹重組竹，采用超聲波脈沖測定了其橫紋和順紋方向的超聲波波速，從而得到這兩個方向上的彈性模量值。研究結(jié)論表明：重組竹橫紋、順紋兩個方向上的彈性模量值均隨其密度的增加而增加，且順紋方向的彈性模量值約為其橫紋方向的3倍[14]。2018年，Min-Jay Chung等分別研究了去皮處理(EPT)和熱處理(SHT)對重組竹板彈性模量值的影響。其研究結(jié)果表明：經(jīng)EPT處理的重組竹板中，其橫紋方向的波速提高，順紋方向的波速則降低；而SHT處理的重組竹板，其波速以及彈性模量值的變化不一致，且不顯著[15]。2019年，許琪針對實際工程中超聲波法很難從兩端直接測試的問題，提出了一種間接測試方法，這種方法僅需要在某一段加載方向上進行測試。其研究結(jié)論表明：間接測試重組竹的波速比直接測試的波速略低，但整體變化趨勢較為一致，驗證了間接測試可代替直接測試法對材料進行測試[16]。同年，孫豐波等采用美國 Panametrics 泛美公司生產(chǎn)的EPOCH XT型超聲波探傷儀，測定了重組竹、竹單板層積材和竹集成材三種典型竹質(zhì)工程材料的縱向彈性模量值，并根據(jù)測試結(jié)果對3種材料的性能進行了評價，進一步驗證了超聲波測試的有效性[17]。另一方面，對于應(yīng)力波法，2014年，湯威使用一把直徑為7 mm的鋼錘，對重組竹試件進行激振，從而得到其波速值以及彈性模量值。其主要結(jié)論表明，應(yīng)力波法測定的彈性模量大于靜載彎曲測定的彈性模量，且由于鋼錘激勵信號的偶然性大，導(dǎo)致測定的彈性模量離差相對較大[18]。

1.2 振動法的研究進展

近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，振動法測試具有成本低、破壞性小、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點，在材料無損檢測方面有著很大的發(fā)展前景。2010年，Yoshitaka Kubojima等運用縱向振動法和彎曲振動法對3種不同日本竹的彈性模量以及剪切模量進行了測試，并對比了3種原材料的測試結(jié)果。其研究結(jié)果表明：用彎曲振動法測得R方向彈性模量比縱向振動法測試結(jié)果較小，而T方向結(jié)果則十分接近。同時，LR和LT平面上的剪切模量與山毛櫸相類似，且與材料密度之間有著較高的相關(guān)性[19]。2011年，王思敏采用共振法和敲擊法測試了4種不同工藝種類的毛竹地板素板的動態(tài)彈性模量值。其研究結(jié)果表明：共振法測得的動態(tài)彈性模量的平均值比敲擊法測得的平均值偏小。兩種方法均能較好地測試毛竹地板的彈性模量，但敲擊法得到的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差小，測試結(jié)果更為準(zhǔn)確[20]。2014年，周先雁等采用懸臂橫向自由振動法測定了重組竹的彈性常數(shù)，探討密度和長厚比對彈性模量的影響。她將拾振器放置在重組竹試件的懸臂端，再用小錘敲擊試件引起振動，得到其固有頻率，并算得材料的彈性模量。其研究結(jié)論表明：當(dāng)重組竹試件的長厚比小于15時，利用振動法測算得到的彈性模量偏低，而彈性模量隨密度增大而增大的趨勢十分明顯[21]。2015年，Mojtaba Armandei等對竹懸臂梁的振動數(shù)據(jù)采用頻譜分析，證明了頻譜分析具有成本低、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點[22]。2019年，孫豐波等利用橫向振動法快速、準(zhǔn)確、無損的測定了3種典型竹制工程材料：重組竹、竹單板層積材和竹集成材的彈性常數(shù)，并與超聲波法和力學(xué)法測試結(jié)果進行比較。其研究結(jié)果表明：通過橫向振動法測得3種材料的彈性模量分別比力學(xué)法高10.11%、7.50%和5.34%，與力學(xué)法測試結(jié)果接近，且變異系數(shù)較小，進一步說明橫向自由振動法能準(zhǔn)確、快速地測試材料的彈性模量[17]。

2 結(jié)論與展望

我國竹材資源十分豐富，約占世界竹材資源的1/3[23-25]。相比于鋼筋混凝土，竹材具有強重比高、力學(xué)性能優(yōu)異、綠色環(huán)保等優(yōu)點，以竹材為原料制成重組竹，在保留上述優(yōu)點的同時，也能極大的減少竹材本身缺陷，因此對重組竹各項性能進行測試十分重要。目前，國內(nèi)外對重組竹彈性常數(shù)的測試方法主要有電測法、波速法、振動法等。但由于我國對于重組竹動態(tài)測試的研究起步較晚，目前仍存在一些不足：(1)缺乏動態(tài)測試重組材彈性常數(shù)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，以及相關(guān)專業(yè)書籍。(2)缺乏專業(yè)的動態(tài)測試儀器與設(shè)備。(3)缺乏一大批精通無損檢測技術(shù)的專業(yè)人才；尤其是缺乏既熟悉專業(yè)無損檢測技術(shù)，又能解決如何提高企業(yè)生產(chǎn)重組竹品質(zhì)及其優(yōu)化設(shè)計等實際難題的科研人員。鑒于此，筆者認為，行業(yè)部門應(yīng)當(dāng)加快重組竹相關(guān)動態(tài)測試規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制訂與實施；借鑒和學(xué)習(xí)國外先進測試設(shè)備的制造經(jīng)驗，生產(chǎn)出國產(chǎn)的專業(yè)設(shè)施；加大引進和培養(yǎng)我國無損檢測重組竹彈性常數(shù)的專業(yè)人才。

總之，采用電測法、波速法、振動法等方法測試重組竹彈性常數(shù)尤為重要，是檢驗與評判重組竹力學(xué)性能好壞的重要手段。其中，動態(tài)測試在重組竹彈性常數(shù)測定方面有著相當(dāng)大的優(yōu)勢，其不僅操作方式簡單，成本較低，且對試件無破壞。顯然，隨著無損檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，未來動態(tài)測試必將成為重組竹材料彈性常數(shù)性能檢測的主要方向。