竹木復合板的拉伸與彎曲力學特性

韓 健，周文捷，鄒 越

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

竹木復合板的拉伸與彎曲力學特性

韓 健，周文捷，鄒 越

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

竹木復合材料的拉伸和彎曲性能是其重要的力學特性，對其應用有十分重要的影響。通過動態(tài)電阻應變儀和電腦程控力學試驗機對由竹席、竹簾和楊木單板組成的復合材料的拉伸和彎曲力學性能進行了研究。研究表明竹木復合板的縱向和橫向拉伸應變與載荷之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，泊松比和彈性模量與載荷之間呈非線性關(guān)系。隨彎曲載荷增加，竹木復合板的彎曲應力、應變和變形均呈線性增加，但彎曲彈性模量呈非線性下降。泊松比、拉伸和彎曲彈性模量與載荷之間呈非線性關(guān)系，證明了該竹木復合板的彈塑性特征。

竹木復合板；拉伸特性；彎曲特性；泊松比

竹木復合材料兼有竹材與木材的許多優(yōu)點，得到了人們越來越廣泛的關(guān)注，對其相關(guān)特性的研究也越來越深入。張心安等人對竹材增強單板層積材彎曲性能的研究表明，竹/木復合材料的結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品性能有重要影響[1]。張齊生等人以毛竹和馬尾松為原料制造的竹木復合集裝箱底板可以取代阿必冬作為集裝箱底板材料[2]。蔣身學以竹簾膠合板為強化面層，馬尾松板材為芯層，制造的竹木復合層積材具有很高的強度[3]。川井等人用竹材作表層材料，生產(chǎn)的竹木復合板比同密度的木材具有更高的靜曲強度和更好的尺寸穩(wěn)定性[4-5]。Andy W. C. Lee等人對竹材增強南方松OSB力學性能的研究表明，竹木復合OSB的靜曲強度和彈性模量均得到提高[6]。在研究復合材料的彎曲力學性能時，陳志良認為當構(gòu)件在載荷作用下，構(gòu)件截面上各點的應力可以用彈性理論或模型試驗確定[7]。本研究將對由竹席、竹簾和楊木單板組成的復合材料的拉伸和彎曲力學性能進行研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

竹種：毛竹Phyllostachys pubescens，4年生，取自湖南益陽。竹席規(guī)格：長400 mm，寬400 mm，厚0.8～1.6 mm。竹簾規(guī)格：長400 mm，寬400 mm（竹篾寬20～30 mm，厚1.2～1.5 mm），竹席竹簾含水率在15%以下，木單板規(guī)格：長400 mm，寬400 mm，平均厚度2 mm。

膠黏劑為酚醛樹脂，粘度250 mPa·s（25 ℃），固體含量48.2%，游離酚含量2.1%，可被溴化物含量12.7%。

儀器設備：YD-28A型動態(tài)電阻應變儀，BX120-5AA電阻應變計，MWD-50微機控制萬能力學測試機，DY602×2/2型微機控制實驗壓機，2W/2WAJ型阿貝折射儀。

1.2 試驗方法

將竹席、竹簾、木單板分別在氣流干燥箱中干燥到含水率8%～10%，將酚醛樹脂加水稀釋為25%和30%兩種固體含量的膠液。將竹席和竹簾分別浸入固體含量為30%和25%的酚醛樹脂樹脂膠液中，竹簾的浸漬時間為3～5 min，竹席的浸漬時間為10～15 min，浸漬后將竹簾、竹席取出，滴去表面多余的膠液。木單板采用雙面涂膠，施膠量為300 g/m2。將浸膠后的竹席、竹簾和涂膠木單板在80～90 ℃的氣流干燥箱中干燥至含水率10%～12%，竹席的上膠量為10%左右，竹簾的上膠量為7%左右。板坯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 試驗結(jié)果與分析

直交替鋪放，板坯共十一層。組好的板坯送入熱壓機中進行熱壓，熱壓工藝為“冷-熱-冷”工藝，熱壓曲線如圖2所示。熱壓溫度150 ℃，單位面積壓力3.0 MPa，熱壓時間1 min/mm，共壓制試驗板材9張。在每張板材上分別制取拉伸和彎曲試件各3個，以3個試件的平均值作為該試驗板材的檢測結(jié)果，再以9張試驗板材檢測結(jié)果的平均值作為該竹木復合板的拉伸和彎曲力學性能指標，并對其進行分析評價。

圖2 熱壓曲線Fig.2 Curve for hot pressing

圖1 板坯結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of plate blank

板坯上下2個表面為木單板，竹席位于木單板之下，接著是木單板與竹簾按纖維方向相互垂

2.1 拉伸載荷對產(chǎn)品拉伸應變的影響

拉伸載荷對竹木復合板縱向和橫向應變的影響如圖3所示。由圖3可見，隨拉伸載荷增加，竹木復合板的縱向和橫向拉伸應變都呈線性增加，縱向應變?yōu)檎?，橫向應變?yōu)樨撝担砻髦衲緩秃习逶诔惺芾燧d荷時，縱向尺寸增大，橫向尺寸縮小，且在相同載荷的情況下，橫向應變的絕對值遠小于縱向應變的絕對值，變形主要發(fā)生在竹木復合板的縱向。

圖3 產(chǎn)品拉伸應變與載荷的關(guān)系Fig.3 Relationship between load and tensile strain of products

拉伸載荷與應變之間的關(guān)系可用如下數(shù)學模型表示。

式中：ξ1：縱向應變；ξ2：橫向應變；x：拉伸載荷N。

拉伸載荷與縱、橫向拉伸應變之間的相關(guān)系數(shù)R2均達到了0.99以上，表明拉伸載荷與產(chǎn)品的縱向和橫向拉伸應變之間具有顯著的線性相關(guān)性。因此可以用式（1）、式（2）描述當承受拉伸載荷時，竹木復合板的縱向和橫向拉伸應變隨拉伸載荷的變化規(guī)律。

2.2 拉伸載荷對產(chǎn)品泊松比和彈性模量的影響

拉伸載荷對產(chǎn)品泊松比和彈性模量的影響如圖4、圖5所示。由圖4和圖5可見，當竹木復合板承受拉伸載荷時，其泊松比和拉伸彈性模量均不為常數(shù)。隨拉伸載荷增加，產(chǎn)品的泊松比呈非線性減小，在100～600 N的范圍內(nèi)，隨載荷增加，泊松比迅速減小，而后比較平緩地減小。拉伸彈性模量則隨拉伸載荷增加呈非線性增加，在100～1 000 N范圍內(nèi)增加迅速，在載荷增加到1 600 N之前，則呈平緩增加，而后略有下降。通過數(shù)值模擬，可建立在承受拉伸載荷時，竹木復合板的泊松比、拉伸彈性模量隨載荷變化的數(shù)學模型如下：

圖4 拉伸載荷與產(chǎn)品泊松比的關(guān)系Fig.4 Relationship between load and Poisson ratio of product

圖5 拉伸載荷與產(chǎn)品彈性模量的關(guān)系Fig.5 Relationship between load and elasticity modulus of product

式中：μ：泊松比；En：拉伸彈性模量MPa；x：拉伸載荷N。

雖然拉伸載荷與縱向、橫向應變呈線性關(guān)系，但與泊松比和彈性模量之間呈非線性關(guān)系。其原因在于竹材與木材均為彈塑性材料，因此由竹材與木材組成的竹木復合板也是彈塑性材料，在其承受外力作用時，既會產(chǎn)生彈性變形，也會產(chǎn)生塑性變形。

2.3 彎曲載荷對產(chǎn)品應力、應變的影響

在彎曲載荷作用下竹木復合板會發(fā)生一定程度的彎曲變形，這種變形導致了竹木復合板內(nèi)部應力、應變的形成，圖6、圖7反映了在彎曲載荷作用下，竹木復合板內(nèi)部應力、應變的變化規(guī)律。

圖6 載荷與產(chǎn)品彎曲應力的關(guān)系Fig.6 Relationship between load and bending stress of product

圖7 載荷與產(chǎn)品彎曲應變的關(guān)系Fig.7 Relationship between load and bending strain of product

由圖6和圖7可見，隨彎曲載荷增加，竹木復合板的彎曲應力和應變均呈線性增加。彎曲應力、應變與載荷之間的關(guān)系可由以下的數(shù)學模型描述。

式中：σ為彎曲應力Mpa；ε為彎曲應變，x為彎曲載荷N。

2.4 彎曲載荷對產(chǎn)品變形和彈性模量的影響

竹木復合板在靜彎曲載荷作用下，在其內(nèi)部產(chǎn)生彎曲應力的同時，外部形狀也發(fā)生了彎曲變形，彎曲彈性模量在不同載荷區(qū)間也具有不同的變化特點。由圖8和圖9可見，隨彎曲載荷增加，竹木復合板的彎曲變形呈線性增加，彎曲彈性模量則呈非線性下降。彎曲變形和彎曲彈性模量與載荷之間的關(guān)系可由以下數(shù)學模型描述。

圖8 載荷與產(chǎn)品彎曲變形的關(guān)系Fig.8 Relationship between load and bending deformation of product

圖9 載荷與產(chǎn)品彎曲彈性模量的關(guān)系Fig.9 Relationship between load and bending elasticity modulus of product

式中：η：彎曲變形mm；Eb：彎曲彈性模量MPa；x：彎曲載荷N。

與承受拉伸載荷類似，由于竹木復合板的彈塑性特性，當其承受彎曲載荷時，雖然彎曲應力、應變與載荷之間均為線性關(guān)系，但其彎曲彈性模量與載荷之間呈非線性關(guān)系。

3 結(jié) 論

竹木復合板承受拉伸載荷時，隨拉伸載荷增加，其縱向和橫向拉伸應變呈線性增加，彈性模量呈非線性增加，泊松比則呈非線性下降。拉伸外力使竹木復合板的縱向應變遠大于橫向應變，載荷在1 000 N以內(nèi)時，隨載荷增加泊松比迅速減小，而后變化不大，彈性模量則在此外力范圍內(nèi)迅速增加，而后增加速度明顯降低。竹木復合板在承受靜彎曲載荷時，隨載荷增加，其彎曲應力、應變和變形均呈線性增加，但彎曲彈性模量呈非線性下降。所研究的竹木復合板的泊松比和拉伸、彎曲彈性模量與載荷之間呈非線性關(guān)系，表明這種由竹材和木材組成的竹木復合板在受拉伸和彎曲外力作用時，除發(fā)生彈性變形外，還發(fā)生了塑性變形，并具有明顯的各向異性特點，同時從研究結(jié)果也可看到在不同大小的外力作用時，這種竹木復合板具有不同的泊松比和彈性模量。

[1] 張心安,等. 竹材增強單板層積材的動態(tài)與靜態(tài)彎曲性能[J].南京林業(yè)大學學報, 2006,30(1):69-71.

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[7] 陳志良. 纖維復合材料構(gòu)件的受力分析原理[J]. 四川大學學報, 2000,32(4):15-19.

Tensile and bending properties of bamboo/wood composite board

HAN Jian, ZHOU Wen-jie, ZOU Yue
(School of Material Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The tensile and bending properties of bamboo/wood composite board，having important effect on their use properties，are the important mechanical properties. The tensile and bending properties of the bamboo/wood composite board, which was composed of bamboo mat, bamboo curtain and poplar veneer, were studied by using resistance strain gauge and computer programmed mechanics tester. The results evinced that the noteworthy linear relationship existed between the lengthways or lateral tensile strain and the load，and the nonlinear relationship existed between the Poisson ratio and the elasticity modulus; the bending stress, strain and deformation all increased linearly，but the bending elasticity modulus decreased nonlinearly with the load increasing, which showed that this bamboo/wood composite board was a kind of elasticity-plasticity material.

bamboo/wood composite board; tensile property; bending property; Poisson ratio

S781.6

A

1673-923X(2014)10-0107-04

2013-10-12

科技部支撐計劃項目（2008BADA9B0202）資助

韓 ?。?954-），男，教授，博士，博士生導師，主要從事人造板工藝研究

[本文編校：文鳳鳴]