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(jì)70年代，澳大利亞首先提出重組木的概念，但此后因成本過(guò)高、技術(shù)不成熟等諸多問(wèn)題，導(dǎo)致對(duì)重組材的研究工作出現(xiàn)停滯不前現(xiàn)象。我國(guó)自上世紀(jì)80年代開始對(duì)重組木進(jìn)行科學(xué)研究，并針對(duì)我國(guó)竹材資源豐富的特點(diǎn)，對(duì)重組木的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了完善和改進(jìn)。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(guó)最先研制成功，亦是擁有自主知識(shí)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(diǎn)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(qiáng)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(guó)內(nèi)外對(duì)于重組竹彈性常數(shù)的測(cè)試方法主要有靜力學(xué)方法和動(dòng)態(tài)測(cè)試法。但常規(guī)的靜力學(xué)方法對(duì)試件有一定的破壞性，而動(dòng)態(tài)測(cè)試能在不破壞試件的基礎(chǔ)上，可準(zhǔn)確地測(cè)試出材料的彈性常數(shù)，已成為當(dāng)前熱點(diǎn)的研究方向，在材料的無(wú)損檢測(cè)工作中起到重要作用。為此，文中重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外測(cè)試重組竹彈性常數(shù)方法的研究進(jìn)展，并根據(jù)目前國(guó)內(nèi)測(cè)試重組竹彈性常數(shù)工作中存在的主要問(wèn)題，提出了做好測(cè)試重組竹彈性常數(shù)的主要措施，對(duì)我國(guó)重組竹彈性常數(shù)力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)水平及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有借鑒作用。

1 國(guó)內(nèi)外測(cè)試重組竹彈性常數(shù)方法的研究進(jìn)展

由于重組竹問(wèn)世時(shí)間較短，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多是依據(jù)木材檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，采用靜力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試[4-8]，如用電測(cè)法測(cè)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(cè)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(cè)定了其12個(gè)彈性常數(shù)；并對(duì)其中變異系數(shù)較大的3個(gè)泊松比值進(jìn)行了修正，進(jìn)一步驗(yàn)證了電測(cè)法在重組竹彈性常數(shù)測(cè)試中的適用性[10]。2016年，付楊等測(cè)試了家具用重組竹的彈性常數(shù)，并將其實(shí)測(cè)值輸入Ansys中進(jìn)行了仿真模擬[11]。2017年，潘文平通過(guò)彈性力學(xué)理論分析，將重組竹的12個(gè)彈性常數(shù)縮減為6個(gè)，并采用電測(cè)法對(duì)這6個(gè)彈性常數(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)法以及有限元仿真方法，測(cè)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(qiáng)聚合物顯著提高了重組竹的彈性模量[13]。目前，國(guó)外對(duì)于電測(cè)法測(cè)試重組竹彈性常數(shù)的研究較為缺少，而國(guó)內(nèi)學(xué)者在電測(cè)法測(cè)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(gè)方面驗(yàn)證了其可行性。然而，隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來(lái)對(duì)于重組竹彈性常數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。其中，波速法和振動(dòng)法為主要的兩種動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。

1.1 波速法研究進(jìn)展

波速法是通過(guò)測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)試方法，主要包括超聲波法和應(yīng)力波法。一方面，對(duì)于超聲波法，2016年，Anuj Kumar等人對(duì)三種不同密度的毛竹重組竹，采用超聲波脈沖測(cè)定了其橫紋和順紋方向的超聲波波速，從而得到這兩個(gè)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(gè)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(duì)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(duì)實(shí)際工程中超聲波法很難從兩端直接測(cè)試的問(wèn)題，提出了一種間接測(cè)試方法，這種方法僅需要在某一段加載方向上進(jìn)行測(cè)試。其研究結(jié)論表明：間接測(cè)試重組竹的波速比直接測(cè)試的波速略低，但整體變化趨勢(shì)較為一致，驗(yàn)證了間接測(cè)試可代替直接測(cè)試法對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試[16]。同年，孫豐波等采用美國(guó) Panametrics 泛美公司生產(chǎn)的EPOCH XT型超聲波探傷儀，測(cè)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(cè)試結(jié)果對(duì)3種材料的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，進(jìn)一步驗(yàn)證了超聲波測(cè)試的有效性[17]。另一方面，對(duì)于應(yīng)力波法，2014年，湯威使用一把直徑為7 mm的鋼錘，對(duì)重組竹試件進(jìn)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(cè)定的彈性模量大于靜載彎曲測(cè)定的彈性模量，且由于鋼錘激勵(lì)信號(hào)的偶然性大，導(dǎo)致測(cè)定的彈性模量離差相對(duì)較大[18]。

1.2 振動(dòng)法的研究進(jìn)展

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)法測(cè)試具有成本低、破壞性小、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在材料無(wú)損檢測(cè)方面有著很大的發(fā)展前景。2010年，Yoshitaka Kubojima等運(yùn)用縱向振動(dòng)法和彎曲振動(dòng)法對(duì)3種不同日本竹的彈性模量以及剪切模量進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)比了3種原材料的測(cè)試結(jié)果。其研究結(jié)果表明：用彎曲振動(dòng)法測(cè)得R方向彈性模量比縱向振動(dòng)法測(cè)試結(jié)果較小，而T方向結(jié)果則十分接近。同時(shí)，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(cè)試了4種不同工藝種類的毛竹地板素板的動(dòng)態(tài)彈性模量值。其研究結(jié)果表明：共振法測(cè)得的動(dòng)態(tài)彈性模量的平均值比敲擊法測(cè)得的平均值偏小。兩種方法均能較好地測(cè)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(cè)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(dòng)法測(cè)定了重組竹的彈性常數(shù)，探討密度和長(zhǎng)厚比對(duì)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(dòng)，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(zhǎng)厚比小于15時(shí)，利用振動(dòng)法測(cè)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(shì)十分明顯[21]。2015年，Mojtaba Armandei等對(duì)竹懸臂梁的振動(dòng)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(diǎn)[22]。2019年，孫豐波等利用橫向振動(dòng)法快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的測(cè)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(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。其研究結(jié)果表明：通過(guò)橫向振動(dòng)法測(cè)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(cè)試結(jié)果接近，且變異系數(shù)較小，進(jìn)一步說(shuō)明橫向自由振動(dòng)法能準(zhǔn)確、快速地測(cè)試材料的彈性模量[17]。

2 結(jié)論與展望

我國(guó)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(qiáng)重比高、力學(xué)性能優(yōu)異、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，以竹材為原料制成重組竹，在保留上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也能極大的減少竹材本身缺陷，因此對(duì)重組竹各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試十分重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)重組竹彈性常數(shù)的測(cè)試方法主要有電測(cè)法、波速法、振動(dòng)法等。但由于我國(guó)對(duì)于重組竹動(dòng)態(tài)測(cè)試的研究起步較晚，目前仍存在一些不足：(1)缺乏動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)試儀器與設(shè)備。(3)缺乏一大批精通無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的專業(yè)人才；尤其是缺乏既熟悉專業(yè)無(wú)損檢測(cè)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(jì)等實(shí)際難題的科研人員。鑒于此，筆者認(rèn)為，行業(yè)部門應(yīng)當(dāng)加快重組竹相關(guān)動(dòng)態(tài)測(cè)試規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制訂與實(shí)施；借鑒和學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)測(cè)試設(shè)備的制造經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)出國(guó)產(chǎn)的專業(yè)設(shè)施；加大引進(jìn)和培養(yǎng)我國(guó)無(wú)損檢測(cè)重組竹彈性常數(shù)的專業(yè)人才。

總之，采用電測(cè)法、波速法、振動(dòng)法等方法測(cè)試重組竹彈性常數(shù)尤為重要，是檢驗(yàn)與評(píng)判重組竹力學(xué)性能好壞的重要手段。其中，動(dòng)態(tài)測(cè)試在重組竹彈性常數(shù)測(cè)定方面有著相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，其不僅操作方式簡(jiǎn)單，成本較低，且對(duì)試件無(wú)破壞。顯然，隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)動(dòng)態(tài)測(cè)試必將成為重組竹材料彈性常數(shù)性能檢測(cè)的主要方向。