重组竹弹性常数测试方法研究进展

崔哲魁， 刘 庆， 李 杰， 张钰霄， 王孜怡， 王 正

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

上世纪70年代，澳大利亚首先提出重组木的概念，但此后因成本过高、技术不成熟等诸多问题，导致对重组材的研究工作出现停滞不前现象。我国自上世纪80年代开始对重组木进行科学研究，并针对我国竹材资源丰富的特点，对重组木的生产工艺进行了完善和改进。特别是1987年，南京林业大学研发出以苦竹为原料的重组竹[1]；重组竹是以竹束为构成单元，按顺纹组坯、经热压(或冷压)胶合而成的板材或方材，由我国最先研制成功，亦是拥有自主知识产权，并形成产业化规模的一种竹基复合材料。其突出优点是：原材料利用率高，彻底改变了竹材的原有性能，其力学性能优异，物理性能变化较大，产品可广泛应用于室内外地板、家具、建筑结构材和装修装潢材，以及风电桨叶等高强度材料需求领域[2-3]。弹性常数是反映材料力学性质的重要参数。目前国内外对于重组竹弹性常数的测试方法主要有静力学方法和动态测试法。但常规的静力学方法对试件有一定的破坏性，而动态测试能在不破坏试件的基础上，可准确地测试出材料的弹性常数，已成为当前热点的研究方向，在材料的无损检测工作中起到重要作用。为此，文中重点介绍了国内外测试重组竹弹性常数方法的研究进展，并根据目前国内测试重组竹弹性常数工作中存在的主要问题，提出了做好测试重组竹弹性常数的主要措施，对我国重组竹弹性常数力学性能测试技术水平及其结构优化设计具有借鉴作用。

1 国内外测试重组竹弹性常数方法的研究进展

由于重组竹问世时间较短，国内外学者大多是依据木材检测的标准，采用静力学方法对其进行测试[4-8]，如用电测法测试与分析重组竹弹性常数的研究成果较为显著。2012年，张俊珍测量了含水率约为10%的慈竹重组材的弹性模量、泊松比等基本力学参数。其研究结果表明：密度为1.15 g/cm2的重组竹的顺纹轴拉弹性模量Et(L)为32.84 GPa，顺纹轴压弹性模量Ec(L)为37.73 GPa，弦向抗压弹性模量Ec(T)为2.27 GPa；而在重组竹各向的泊松比的比较上，υLR>υLT>υTR，且均在0.4～0.6之间；重组竹的横纹、顺纹弹性模量以及泊松比变异系数均较小，稳定性能好[9]。2015年，李霞镇等以毛竹为原料制成重组竹，测定了其12个弹性常数；并对其中变异系数较大的3个泊松比值进行了修正，进一步验证了电测法在重组竹弹性常数测试中的适用性[10]。2016年，付杨等测试了家具用重组竹的弹性常数，并将其实测值输入Ansys中进行了仿真模拟[11]。2017年，潘文平通过弹性力学理论分析，将重组竹的12个弹性常数缩减为6个，并采用电测法对这6个弹性常数进行测试。其研究结果表明，重组竹顺纹方向弹性模量比横纹方向高得多，这是由于顺纹方向竹纤维束受力，而横纹方向主要受力材料为纤维间基体导致的[12]。2020年，伍希志等使用电测法以及有限元仿真方法，测定了CFRP-重组竹复合试件的弹性模量。其结果表明：在相同截面条件下，CFRP-重组竹的弹性模量约为重组竹试件的2.33～2.94倍，碳纤维增强聚合物显著提高了重组竹的弹性模量[13]。目前，国外对于电测法测试重组竹弹性常数的研究较为缺少，而国内学者在电测法测试重组竹弹性常数方面取得了一定的研究成果，并从各个方面验证了其可行性。然而，随着无损检测技术的飞速发展，近年来对于重组竹弹性常数的动态测试研究取得了长足进展。其中，波速法和振动法为主要的两种动态测试方法。

1.1 波速法研究进展

波速法是通过测出波在材料中的传播速度，从而换算出材料弹性常数的一种动态测试方法，主要包括超声波法和应力波法。一方面，对于超声波法，2016年，Anuj Kumar等人对三种不同密度的毛竹重组竹，采用超声波脉冲测定了其横纹和顺纹方向的超声波波速，从而得到这两个方向上的弹性模量值。研究结论表明：重组竹横纹、顺纹两个方向上的弹性模量值均随其密度的增加而增加，且顺纹方向的弹性模量值约为其横纹方向的3倍[14]。2018年，Min-Jay Chung等分别研究了去皮处理(EPT)和热处理(SHT)对重组竹板弹性模量值的影响。其研究结果表明：经EPT处理的重组竹板中，其横纹方向的波速提高，顺纹方向的波速则降低；而SHT处理的重组竹板，其波速以及弹性模量值的变化不一致，且不显著[15]。2019年，许琪针对实际工程中超声波法很难从两端直接测试的问题，提出了一种间接测试方法，这种方法仅需要在某一段加载方向上进行测试。其研究结论表明：间接测试重组竹的波速比直接测试的波速略低，但整体变化趋势较为一致，验证了间接测试可代替直接测试法对材料进行测试[16]。同年，孙丰波等采用美国 Panametrics 泛美公司生产的EPOCH XT型超声波探伤仪，测定了重组竹、竹单板层积材和竹集成材三种典型竹质工程材料的纵向弹性模量值，并根据测试结果对3种材料的性能进行了评价，进一步验证了超声波测试的有效性[17]。另一方面，对于应力波法，2014年，汤威使用一把直径为7 mm的钢锤，对重组竹试件进行激振，从而得到其波速值以及弹性模量值。其主要结论表明，应力波法测定的弹性模量大于静载弯曲测定的弹性模量，且由于钢锤激励信号的偶然性大，导致测定的弹性模量离差相对较大[18]。

1.2 振动法的研究进展

近年来，国内外学者研究发现，振动法测试具有成本低、破坏性小、结果准确等优点，在材料无损检测方面有着很大的发展前景。2010年，Yoshitaka Kubojima等运用纵向振动法和弯曲振动法对3种不同日本竹的弹性模量以及剪切模量进行了测试，并对比了3种原材料的测试结果。其研究结果表明：用弯曲振动法测得R方向弹性模量比纵向振动法测试结果较小，而T方向结果则十分接近。同时，LR和LT平面上的剪切模量与山毛榉相类似，且与材料密度之间有着较高的相关性[19]。2011年，王思敏采用共振法和敲击法测试了4种不同工艺种类的毛竹地板素板的动态弹性模量值。其研究结果表明：共振法测得的动态弹性模量的平均值比敲击法测得的平均值偏小。两种方法均能较好地测试毛竹地板的弹性模量，但敲击法得到的数据标准偏差小，测试结果更为准确[20]。2014年，周先雁等采用悬臂横向自由振动法测定了重组竹的弹性常数，探讨密度和长厚比对弹性模量的影响。她将拾振器放置在重组竹试件的悬臂端，再用小锤敲击试件引起振动，得到其固有频率，并算得材料的弹性模量。其研究结论表明：当重组竹试件的长厚比小于15时，利用振动法测算得到的弹性模量偏低，而弹性模量随密度增大而增大的趋势十分明显[21]。2015年，Mojtaba Armandei等对竹悬臂梁的振动数据采用频谱分析，证明了频谱分析具有成本低、准确性高的优点[22]。2019年，孙丰波等利用横向振动法快速、准确、无损的测定了3种典型竹制工程材料：重组竹、竹单板层积材和竹集成材的弹性常数，并与超声波法和力学法测试结果进行比较。其研究结果表明：通过横向振动法测得3种材料的弹性模量分别比力学法高10.11%、7.50%和5.34%，与力学法测试结果接近，且变异系数较小，进一步说明横向自由振动法能准确、快速地测试材料的弹性模量[17]。

2 结论与展望

我国竹材资源十分丰富，约占世界竹材资源的1/3[23-25]。相比于钢筋混凝土，竹材具有强重比高、力学性能优异、绿色环保等优点，以竹材为原料制成重组竹，在保留上述优点的同时，也能极大的减少竹材本身缺陷，因此对重组竹各项性能进行测试十分重要。目前，国内外对重组竹弹性常数的测试方法主要有电测法、波速法、振动法等。但由于我国对于重组竹动态测试的研究起步较晚，目前仍存在一些不足：(1)缺乏动态测试重组材弹性常数的规范与标准，以及相关专业书籍。(2)缺乏专业的动态测试仪器与设备。(3)缺乏一大批精通无损检测技术的专业人才；尤其是缺乏既熟悉专业无损检测技术，又能解决如何提高企业生产重组竹品质及其优化设计等实际难题的科研人员。鉴于此，笔者认为，行业部门应当加快重组竹相关动态测试规范与标准的制订与实施；借鉴和学习国外先进测试设备的制造经验，生产出国产的专业设施；加大引进和培养我国无损检测重组竹弹性常数的专业人才。

总之，采用电测法、波速法、振动法等方法测试重组竹弹性常数尤为重要，是检验与评判重组竹力学性能好坏的重要手段。其中，动态测试在重组竹弹性常数测定方面有着相当大的优势，其不仅操作方式简单，成本较低，且对试件无破坏。显然，随着无损检测技术的不断发展，未来动态测试必将成为重组竹材料弹性常数性能检测的主要方向。