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。
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。
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]。
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]。
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。