黑黃檀木材物理和力學(xué)性質(zhì)研究

田蜜, 董曉娜, 曾祥全, 陳飛飛

海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院), 海南 ?？?571100

黑黃檀（Dalbergia fusca），又名版納黑檀，屬蝶形花科黃檀屬喬木，近危種[1]，國家二級保護(hù)植物[2]，特有珍稀樹種，在我國主要分布于云南西南部的西雙版納、普洱，越南、緬甸也有分布。其心材黑褐色、黑中帶紅，材質(zhì)堅重致密，入水即沉，光滑油潤，不翹不裂，心材的硬度極高，耐腐蝕，抗蟲性強(qiáng)，耐久性好，木材紋理斜或交錯，結(jié)構(gòu)細(xì)，美觀、耐磨，是制作高級家具、高級工藝品、高級樂器和高級室內(nèi)裝修的優(yōu)質(zhì)材料[3]。

作為珍貴紅木樹種，木材的基礎(chǔ)材性對于其加工利用具有重要意義。但目前黑黃檀的研究主要集中在利用價值、種群保護(hù)、資源培育和引種適應(yīng)性等方面[4]，關(guān)于黑黃檀木材材性的研究相對較少。通過測定黑黃檀木材的主要物理和力學(xué)性能指標(biāo)，摸清其木材基礎(chǔ)材性數(shù)據(jù)，為黑黃檀木材的合理開發(fā)和高效利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

黑黃檀試材于2022 年5 月采自云南省西雙版納景洪市，為40 年生黑黃檀林，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1927-2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》采集樣木5 株，樣木平均胸徑17.2 cm，平均樹高18 m，每株樣木截取標(biāo)準(zhǔn)原木段作為試材，測定木材物理和力學(xué)性質(zhì)。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》制備試樣。試樣初步加工后，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1932、1933、1 934.2、1935、1 936.1、1940、1941-2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法》，測定黑黃檀木材的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)。物理性質(zhì)測定指標(biāo)主要包括基本密度、氣干密度、全干密度、干縮性、濕脹性；采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測試木材順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)。計算各指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，將實(shí)測數(shù)據(jù)換算為12%含水率時的數(shù)值。各測試指標(biāo)、試件規(guī)格與數(shù)量見表1。

表1 物理力學(xué)性能測試試樣規(guī)格與數(shù)量Tab. 1 Specification and quantity of physical and mechanical properties tests samples

2 結(jié)果與分析

2.1 木材物理性質(zhì)

2.1.1 木材密度

木材密度是木材的一項(xiàng)重要物理性質(zhì)指標(biāo)，可反映木材的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能[5～6]。在含水率相同的條件下，密度越大，其硬度及強(qiáng)度也越大。經(jīng)測定，黑黃檀木材的基本密度、氣干密度、全干密度分別為0.742 g·cm-3、0.963 g·cm-3、0.933 g·cm-3，變異系數(shù)分別為3.50%、5.41%和5.36%，變異性較?。ū?）。參照《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級表》[7]，黑黃檀木材密度處于第5 級（氣干密度≥0.951 g·cm-3），屬于高密度木材。從密度來看，黑黃檀木材密度較大，切削時阻力也比較大。

表2 黑黃檀木材的物理性能Tab. 2 Physical properties of Dalbergia fusca wood samples

2.1.2 干縮濕脹性

干縮性直接影響木材及其木制品的尺寸、性狀和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等[8]。木材的差異干縮是評價木材干縮性質(zhì)的重要指標(biāo)。木材干縮時，會沿著木材弦向、徑向收縮，差異干縮越小，干縮均勻，木材抗開裂能力越強(qiáng)[9]。根據(jù)木材的干縮差異值，將木材分為5 個等級[7]，由表2 可以看出，黑黃檀的氣干差異干縮為1.502，全干差異干縮為1.271，差異干縮均處于第2 級（1.21～1.60），差異干縮小，不容易引起開裂和變形。

木材干縮系數(shù)是評價木材干縮性質(zhì)的另一個重要指標(biāo)之一，由表2 測定結(jié)果可以看出，黑黃檀木材全干體積干縮率18.739%，氣干體積干縮率為11.380%，干縮系數(shù)分別為0.625%、0.739%。根據(jù)分級表[7]，其體積干縮系數(shù)為5 級（＞0.601%），干縮系數(shù)甚高。干縮系數(shù)高，加工時要預(yù)留加工余量。

木材濕脹與干縮相反，是體現(xiàn)木材從干到濕的一個變化濕脹會使木材強(qiáng)度下降。由表2 可以看出，黑黃檀的弦向濕脹率較大，是徑向濕脹率的1～1.2 倍，與干縮略有差異。

2.2 木材力學(xué)性質(zhì)

木材力學(xué)性能作為木材合理利用的重要依據(jù)，可體現(xiàn)木材抵抗外力的能力。黑黃檀木木材試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果見表3。

表3 黑黃檀木材的力學(xué)性能Tab. 3 Mechanical properties of Dalbergia fusca wood samples

2.2.1 順紋抗壓強(qiáng)度

木材的順紋抗壓強(qiáng)度是木材各種力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)中的基本指標(biāo)，表示木材在順紋受力狀態(tài)下單位面積承受壓力荷載的最大內(nèi)力，是判斷木材對彎曲適應(yīng)性的重要依據(jù)[9～10]。經(jīng)計算，黑黃檀木材的順紋抗壓強(qiáng)度為60.13 Mpa，屬第4 級（60.1～75 Mpa）[7]，為高等級，高于我國闊葉散孔材類木材順紋抗壓強(qiáng)度平均值（46.7 MPa）。

2.2.2 抗彎強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度反映的是木材承受靜力彎曲荷載的最大能力[6,10]。從表3 可以看出，黑黃檀木材的抗彎強(qiáng)度為126.4 Mpa，根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)，屬第4 級（120.1～145.0 Mpa）。說明黑黃檀木材剛性高，不易彎曲變形，承受橫向載荷的能力高。

2.2.3 沖擊韌性

沖擊韌性是評價木材韌性或脆性的指標(biāo)，表征木材內(nèi)部的細(xì)微缺陷和抗沖擊性能[11～12]。黑黃檀木材沖擊韌性為80.82 KJ/m2，屬于第2 級（25.1～85.0 KJ/m2），為中等。

2.2.4 硬度

木材硬度與密度成正相關(guān)，表示木材抵抗其他剛體壓入的能力[6,10]。測試結(jié)果表明，黑黃檀木材的三個切面（端面、弦面和徑面）的硬度分別為105.38 Mpa、85.12 Mpa、87.15 Mpa，硬度達(dá)V 級（＞100.1 Mpa），屬于高硬度木材。其中端面硬度平均值最大，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最小。黑黃檀木材耐磨性好且不易出現(xiàn)外觀缺陷，是建筑材料、制作家具、地板等的優(yōu)質(zhì)用材。

2.3 木材品質(zhì)分析

黑黃檀多用于制作紅木家具、高級樂器、工藝品、室內(nèi)裝修等，衡量其木材品質(zhì)的優(yōu)劣并不僅需考量各項(xiàng)極限強(qiáng)度，還需具備良好的綜合品質(zhì)。

木材綜合強(qiáng)度是木材用作承重構(gòu)件等時的主要參考指標(biāo)，為順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度二者之和[13～15]。經(jīng)計算，黑黃檀的木材綜合強(qiáng)度為186.53 MPa，屬強(qiáng)度很高等級（＞166.6 MPa）[15]。

木材的品質(zhì)系數(shù)又稱強(qiáng)重比，主要用于評價木材品質(zhì)，為木材某項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)極限強(qiáng)度與基本密度的比值[13]。一般用順紋抗壓與抗彎強(qiáng)度比之和來區(qū)分木材品質(zhì)系數(shù)的等級[14]。計算得出黑黃檀木材的綜合品質(zhì)系數(shù)為277.83 MPa（表4），屬很高等級（＞215.6 MPa）[14]，為高等級材。

表4 木材品質(zhì)系數(shù)Tab. 4 Wood quality coefficient

3 討論

黑黃檀木材屬于密度大、干縮性小的一類木材，其基本密度、氣干密度和全干密度分別為0.742 g·cm-3、0.963 g·cm-3、0.933 g·cm-3，屬高密度木材；體積全干、氣干干縮率分別為18.739%、11.380%，對應(yīng)的干縮系數(shù)分別為0.625%、0.739%，干縮系數(shù)大，達(dá)到5 級，木材加工余量需預(yù)留充足。黑黃檀木材的主要力學(xué)指標(biāo)中，順紋抗壓和抗彎強(qiáng)度等級為高，沖擊韌性等級為中等，硬度為V 級，材質(zhì)堅硬；木材綜合強(qiáng)度為186.53 Mpa，綜合品質(zhì)系數(shù)為277.83 Mpa，強(qiáng)度和強(qiáng)重比均達(dá)到高等級水平。這與鄒壽青等[15]對黑黃檀木材性質(zhì)的研究結(jié)論存在一定差別，各項(xiàng)指標(biāo)值均低于其測定結(jié)果，但與王達(dá)明等[16]研究結(jié)果基本一致，這可能與試材年齡、取材地點(diǎn)及測試方法等影響有關(guān)，造成測定結(jié)果存在一定的差異性?？傮w來看，黑黃檀為木質(zhì)硬重、韌性強(qiáng)、品質(zhì)優(yōu)良的珍貴硬材樹種。

在木材利用方面，黑黃檀木材屬紅木中上品，是制作明清家具、高級樂器、工藝品及室內(nèi)裝飾等的優(yōu)質(zhì)材料，但由于黑黃檀生長緩慢，且缺乏加工工具和技術(shù)，一直未能很好地開發(fā)利用，要進(jìn)一步開展黑黃檀木材機(jī)械加工性能等的測試，為其充分挖掘其高附加值潛力提供參考依據(jù)。