俞友明，王 聰，蔡智勇，盧克陽

（1.浙江農(nóng)林大學 工程學院，浙江 臨安311300；2.美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局 林產(chǎn)品研究所，美國 威斯康星麥迪遜 53726-2398；3.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所 國家林業(yè)局木材科學與技術(shù)重點實驗室,北京100091）

鋁-木復合材料抗彎性能預測與分析

俞友明1，王 聰1，蔡智勇2，盧克陽3

（1.浙江農(nóng)林大學 工程學院，浙江 臨安311300；2.美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局 林產(chǎn)品研究所，美國 威斯康星麥迪遜 53726-2398；3.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所 國家林業(yè)局木材科學與技術(shù)重點實驗室,北京100091）

將鋁合金薄板和定向刨花板（OSB）以層疊方式復合得到新型鋁-木復合材料（WAC），對不同組坯的鋁-木復合材料抗彎性能進行研究，通過三點彎曲加載試驗得到鋁-木復合材料彎曲破壞形式和抗彎彈性模量，運用經(jīng)典層合理論建立抗彎彈性模量預測模型，并進行驗證。結(jié)果表明：將鋁合金薄板疊加在最外層的鋁-木復合材料結(jié)構(gòu)荷載能力有很大提高，并且縱向彈性模量（MOE）提高了156.55%，橫向彈性模量提高了192.79%。考慮膠層影響，在經(jīng)典層合模型的基礎(chǔ)上對鋁-木復合材料的彈性模量進行預測，所得預測值和試驗值之間相對誤差在10%以內(nèi)?？梢娊?jīng)典層合模型可以很好預測鋁-木復合材料的彈性模量，鋁-木復合材料有著良好的抗彎性能，將鋁合金薄板疊加在最外層的結(jié)構(gòu)是最為合理的。圖3表3參18

木材科學與技術(shù)；鋁合金薄板；定向刨花板；彎曲性能；層合理論；預測模型

20世紀80年代中期以來，定向刨花板（OSB）在北美地區(qū)得到了快速發(fā)展，與膠合板一起成為人造板產(chǎn)業(yè)中的主要品種［1］。在國外，定向刨花板是主要的建筑工程結(jié)構(gòu)材料之一，作為木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋的墻體材料、地板底襯材、工字梁腹材等被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域［2-4］。在中國，定向刨花板主要被用于裝飾裝修和家居制造。相比國外，中國定向刨花板在建筑市場所占據(jù)的份額較小。作為木質(zhì)材料，定向刨花板耐火性能差，容易引發(fā)火災。提高定向刨花板的耐火性能對它在建筑市場的推廣可以起到至關(guān)重要的作用。復合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料組成具有新性能的材料，由于在設(shè)計上綜合各組分的優(yōu)點，通過材料設(shè)計使各組分的性能互相補充，彌補了各自的不足之處，具有單一材料無法比擬的綜合性能［5］。復合材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料和層狀復合材料［6］。層狀復合材料是指復合材料中的增強相相互平行的層面配置增強相，工藝相對簡單，具有較好的綜合性能［7］。將定向刨花板與輕質(zhì)耐火的鋁合金薄板以層狀結(jié)構(gòu)復合，可以得到耐火性能優(yōu)異的新型層狀鋁-木復合材料（WAC）［8］。張曉東等［9］以經(jīng)典理論、一階剪切變形理論和有限元法預測木竹復合層合板彈性模量（MOE）并分析了3種預測方法的適用性。盧曉寧等［10－11］建立了速生楊木單板順紋、橫紋彈性模量和面內(nèi)剪切模量預測模型，能較好預測單板經(jīng)壓縮和浸膠后的彈性模量，理論上可以推廣到其他樹種單板順紋彈性模量的預測。余養(yǎng)倫等［12］基于層合板理論，以相同熱壓工藝下的單板層積材的彈性模量帶入經(jīng)典層合板力學模型計算厚膠合板彈性模量，得到更為準確的預測結(jié)果。OKABE等［13］以層合理論和蒙特·卡羅方法很好地預測了交錯層壓木材的彎曲剛度和彎曲載荷能力。目前，僅有部分學者探究了木質(zhì)及木竹層合板的力學性能，尚未出現(xiàn)木質(zhì)金屬層合材料力學性能的相關(guān)研究。筆者研究不同層疊方式對鋁-木復合材料最大彎曲載荷和抗彎性能的影響，在復合材料力學和經(jīng)典層合理論的基礎(chǔ)上，對鋁-木復合材料的橫向和縱向抗彎彈性模量進行預測，以期為鋁-木復合材料的設(shè)計方式提供預見性指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鋁合金薄板：型號3003，幅面尺寸為900.0 mm×2 400.0 mm，厚度為0.5 mm，購于美國McMaster-Carr Supply公司，有著很好的可塑性、耐腐蝕性，彈性模量為40 GPa，泊松比0.3。定向刨花板（OSB）：松木刨花，酚醛樹脂膠黏劑，幅面尺寸1 200.0 mm×2 400.0 mm，厚度為6.5 mm，密度0.82 kg·m－3，含水率12%，購于Home Depot公司。膠黏劑：異氰酸酯膠MDI，RUBINATE 1840為深棕色液體，在25℃時，黏度為0.18 Pa·s，購于Huntsman公司。

1.2 壓制工藝

如圖1，y軸方向為縱向，x軸方向為橫向，將鋁合金薄板與定向刨花板單板按照以下幾種不同的組坯方式：（AO）［Al/0/90/0/Al］；（OA）［0/Al/90/Al/0］；（C3）［0/90/0］；（O）［0］；（O1）［0］；（O2）［0］，其中：“0”表示定向刨花板纖維方向平行于縱向， “90”表示定向刨花板纖維方向垂直于縱向， “Al”示單板表示鋁合金薄板。AO，OA，C3組坯在層與層之間涂膠，O為未涂膠定向刨花板，O1為在單側(cè)涂膠后的定向刨花板，O2為在兩側(cè)涂膠后的定向刨花板。以上類型組坯均以相同工藝熱壓：熱壓壓力1 MPa，熱壓溫度150℃，熱壓時間20 min，單面施膠量50 g·m－2，全部均勻涂布在定向刨花板表面。

1.3 測試方法

參照ASTM D1037-1999《木質(zhì)纖維板和刨花板的性能評定方法》，制作長360.0 mm寬50.8 mm試件10個·組-1，測其縱向彈性模量（EL）和橫向彈性模量（ET）。按式（1）計算。式（1）中：E為試件彈性模量，l為試件跨距，a為試件寬度，h為試件厚度，ΔF為荷載增量，Δf為撓度增量。

2 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 不同層疊結(jié)構(gòu)鋁-木復合材料抗彎性能對比

圖2是不同層疊結(jié)構(gòu)鋁-木復合材料荷載—位移曲線。從圖2中可以看出：3種試樣在荷載作用下，未達到荷載峰值之前其荷載—位移曲線近乎直線，處于線彈性受力階段。在荷載峰值以后，承載能力突降至峰值荷載的1/2以下，試件斷裂。疊加鋁合金薄板在最外層的AO荷載峰值最高，疊加鋁合金薄板在次外層的OA與同樣層數(shù)定向刨花板疊加的C3荷載峰值相差不大。材料彎曲形變中損傷分為2個區(qū)域：拉伸損傷區(qū)和壓縮損傷區(qū)［14］。由于受張力側(cè)的形變量大于壓力側(cè)，所以主要的損傷集中在試樣中心層以下張力側(cè)的拉伸損傷區(qū)。因此，上表層和下表層的強度越大，越有利于提高復合材料層合板的彎曲承載能力［15］。

圖1 不同試樣層疊順序Figure 1 Wood-aluminum composites panel stacking sequence

圖2 不同層疊結(jié)構(gòu)鋁-木復合材料的荷載位移曲線Figure 2 Load-deflection curves of different specimens

表1是不同結(jié)構(gòu)鋁-木復合材的彈性模量?？梢钥闯?，疊加0.5 mm鋁合金薄板在最外層的AO和同樣層數(shù)定向刨花板疊加的C3相比縱向彈性模量提升顯著，提高了156.55%。而疊加0.5 mm鋁合金薄板在次外層的OA相比同樣層數(shù)定向刨花板疊加的C3，彈性模量提高了僅僅12.27%。顯然鋁合金薄板越靠外側(cè)對鋁-木復合材料影響越大。這是由于層合板彎曲時的應(yīng)力是以中性層為對稱面，沿厚度線性變化，離中性面越遠的面受力越大，因此，只要將鋁板盡可能置于遠離中間層位置，就可以更大程度地增強鋁-木層合板的抗彎性能。

2.2 鋁-木復合材料橫向、縱向抗彎性能對比

圖3為不同層疊結(jié)構(gòu)的鋁-木復合材料縱向、橫向抗彎曲試件的荷載—位移曲線。從圖3可以看出：與鋁合金薄板疊加后的AO和OA的縱、橫向荷載—位移曲線基本相似，而3層定向刨花板層疊的C3縱向荷載峰值最大荷載遠大于橫向荷載峰值，顯然與鋁板復合后的定向刨花板縱向、橫向差異縮小。從表1可以看到：疊加0.5 mm鋁合金薄板在最外層的AO相比同樣層數(shù)定向刨花板層疊的C3，縱向彈性模量提高了156.55%，橫向彈性模量提高了192.79%，抗彎性能較差的橫向彈性模量提升更為顯著。疊加鋁合金薄板在最外層的AO縱向橫向彈性模量比為21/16，同樣層數(shù)定向刨花板層疊的C3縱向、橫向彈性模量比為24/16。這是由于鋁合金薄板是各向同性材料與各向異性定向刨花板膠合板層疊后一定層度上縮小了材料的各向異性。

表1 鋁-木復合材料縱向、橫向彈性模量Table 1 Parallel and perpendicular MOE of WAC

圖3 各結(jié)構(gòu)鋁-木復合材料縱向、橫向荷載位移曲線Figure 3 Load-deflection curves of different specimens

2.3 膠層對單層定向刨花板彈性模量的影響

從表2可以看出：涂膠后的定向刨花板單板縱向、橫向彈性模量都有很大的改變。單面涂膠的定向刨花板單板O1對比普通定向刨花板單板O：縱向彈性模量提高了4.67%，橫向彈性模量提高了43.45%。上下面都涂膠的定向刨花板單板對比普通定向刨花板單板O：縱向彈性模量提高了57.98%，橫向彈性模量提高了 69.50%。這與OKUMA［16］膠層對膠合板彈性模量影響的研究結(jié)果一致，膠層使得定向刨花板單板彈性模量的提高。因此，在下文中預測鋁-木復合材料彈性模量必須考慮膠層的影響。

表2 單層定向刨花板橫向、縱向彈性模量Table 2 Parallel and perpendicular MOE of single layer OSB

3 鋁-木復合材料的彈性模量疊層模型

3.1 層合板理論模型

以厚度方向為z軸垂直于板面，沿z軸正方向?qū)伟逡来螛擞洖?~n，x和y坐標軸面置于板坯中面，x和y軸分別與試件橫向T，縱向L一致，令第k層單板的底面坐標為Zk，其頂坐標為Zk－1，層合板厚度為h，則Z0=－h(huán)/2，Zn=h/2。根據(jù)經(jīng)典層合理論，一般層合板內(nèi)力—應(yīng)變關(guān)系矩陣可表示為：

式（2）中：［A］聯(lián)系面內(nèi)力與中面的應(yīng)變，稱為面內(nèi)剛度矩陣；［B］聯(lián)系面內(nèi)力和彎扭變形，稱為耦合剛度（coupling stiffness）矩陣；［D］聯(lián)系彎曲率和彎扭內(nèi)力，稱為彎曲剛度矩陣。

而式（3）中：模量分量Qij（k）與工程彈性常數(shù)有如下關(guān)系：

根據(jù)式（4），第k層對鋁-木層合板的加權(quán)彈性模量為：

式（5）中：ELk為第k層對順紋彎曲彈性模量加權(quán)值，ETk為第k層對橫紋彎曲彈性模量加權(quán)值，E11k為第k層縱向彎曲彈性模量，E22k為第k層橫向彎曲彈性模量。結(jié)合式（3）式（4）式（5）式可得到：

由式（6）可知只要知道各層鋁合金薄板、定向刨花板的厚度、彈性模量和泊松比，就可以計算出鋁-木復合材料的彈性模量。

3.2 各項參數(shù)確定

從2.3分析看出：膠層對單層定向刨花板彈性模量的影響不可忽視，然而膠合板膠層的厚度很?。?6］，因此，將膠層的厚度忽略，考慮涂膠對單層定向刨花板彈性模量的影響，做以下方案。

方案1：將單層定向刨花板分為單面涂膠單層定向刨花板和雙面涂膠單層定向刨花板，即相同熱壓條件下單面涂膠O1和單面涂膠O2實測彈性模量。方案2：將未涂膠定向刨花板彈性模量帶入計算作為對比。

方案1和方案2中單層定向刨花板的厚度h，由熱壓后鋁-木復合材料實測厚度（AO：19.76 mm，OA：18.93 mm）減去鋁合金薄板厚度（0.5 mm熱壓前后鋁合金薄板厚度不變）除以定向刨花板層數(shù)計算得到，定向刨花板縱向和橫向泊松比分別為0.375和0.109［17］。

3.3 鋁-木復合材料疊層模型的驗證

將方案1和方案2中的數(shù)據(jù)代入式（5）和式（6）對鋁-木復合材料試件的縱向、橫向抗彎彈性模量進行求解，比較預測值和實際值，結(jié)果見表3。方案1參數(shù)所預測AO型結(jié)構(gòu)的縱向、橫向彈性模量與實測值相對誤差分別為4.24%和5.99%，OA型結(jié)構(gòu)的縱向、橫向彈性模量與實測值相對誤差分別為－2.92%和8.77%，與實測值較為接近。方案2參數(shù)所預測得到的彈性模量都比實際值偏低，OA型橫向彈性模量預測值的相對誤差達到－15.77%。分析原因：膠黏劑與木質(zhì)復合材料接觸時，在木質(zhì)復合材料表面上黏附、滲透及鋪展的效果對木質(zhì)材料力學性能有一定影響［18］。因此，上下表面涂膠對定向刨花板單板的力學性能的影響不可忽略。方案1中，考慮膠層對定向刨花板的影響，將它分為雙面涂膠和單面涂膠定向刨花板可以更為準確地預測鋁-木復合材料的彈性模量。

表3 鋁-木復合材料橫向、縱向彈性模量預測值Table 3 Parallel and perpendicular predicting MOE of WAC

4 結(jié)論

鋁合金薄板越靠近外層對抗彎彈性模量和荷載峰值的提升越大，鋁合金薄板在最外層的貼面結(jié)構(gòu)是最為合理的，這對實際生產(chǎn)有很高的指導價值。

鋁-木復合材料的橫向彈性模量提高192.79%，縱向彈性模量提高156.55%，與鋁合金薄板層疊縮小了定向刨花板橫縱向的差異性。

在經(jīng)典層合理論的基礎(chǔ)上，考慮膠層對定向刨花板力學性能的影響，帶入涂膠后定向刨花板單層的彈性模量，可以準確預測不同組坯方式的鋁-木復合材料的縱向彈性模量和橫向彈性模量。

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Bending performance of wood-aluminum composites: prediction and analysis

YU Youming1,WANG Cong1,CAI Zhiyong2,LU Keyang3
（1.School of Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.Forest Products Laboratory, United States Department of Agriculture,Madison 53726-2398,Wisconsin,USA;3.Key Laboratory of Wood Science and Technology of State Forestry Administration,Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091,China）

To research bending behavior of wood-aluminum composites （WAC）and the effect of stacking sequences,orient strand boards （OSB）were laminated with aluminum alloy sheets by different stacking sequencesto manufacture WACs.Then,the bending modulus of elasticity （MOE）and bearing capacity of the WAC were determined using a three-point bending test.Next,a prediction model was established from classical laminated plate theory and validated based on the effect of the glue line.Experimental results indicated that WAC with the structure locating the aluminum alloy sheeton the surface showed the best bending performance. The peak load of WAC,which composite the aluminum alloy sheeton the surface,was 2-fold greater than OSB. In contrast with OSB,the bending MOE for the aluminum alloy sheeton the surface increased 156.55%along the parallel and 192.79%along the perpendicular.The model based on classical laminated plate theory was precise enough to aim at a theoretical MOE with relative error of less than 10%.［Ch,3 fig.3 tab.18 ref.］

wood science and technology;aluminum alloy sheets;orient strand board;warping performance; laminated theory;predicted model

S718.6；TS653

A

2095-0756（2017）01-0001-06

2016-03-10；

2016-05-13

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201104004）

俞友明，教授，博士，從事木質(zhì)材料性質(zhì)改良相關(guān)研究。E-mail：yuyouming@zafu.edu.cn。通信作者：盧克陽，副研究員，博士，從事木質(zhì)工程材料相關(guān)研究。E-mail：lucky@caf.ac.cn

浙 江 農(nóng) 林 大 學 學 報，2017，34（1）：7-13

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.01.002