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基于纤维拔出研究木材胶合界面的断裂行为

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[目的]借鉴复合材料中纤维拔出方法探究木材/酚醛树脂(PF)胶合试件真实的界面剪切强度,分析拔出木条的断裂形貌和细胞壁层的破坏模式,为揭示木材胶合界面的断裂机理提供理论支撑.[方法]根据前期试验条件探索,分别制备得到两种类型木材胶合试件:早材木条/PF树脂和早-晚材木条/PF树脂.利用万能力学试验机和超景深三维显微镜测得的数据计算出平均界面剪切强度,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征手段分析界面相内聚合物分子间作用形式、拔出木条的宏观断裂形貌、微观尺度细胞壁层破坏模式以及裂纹的萌生与扩散.[结果]载荷-位移曲线表明:拔出过程中木条/PF树脂界面相均发生脆性断裂,早材木条/PF树脂的界面剪切强度为(1.23±0.12)MPa,而早-晚材/木条/PF树脂的界面剪切强度为(3.66±0.11)MPa,约为早材木条的 3 倍.FTIR分析得出:木材与PF树脂聚合物分子间被证实发生化学交联反应,增强界面相黏结性能.SEM结果显示:拔出后埋入顶端早材木条试样的断裂类型为剪切破坏,而埋入底端早材木条的断裂类型为拉伸-剪切破坏共存;拔出后早-晚材木条试样的断裂类型以碎片化拉伸破坏为主.AFM图像表明:拔出后早材木条试样以跨壁层破坏为主,起始裂纹发生在厚度变化较大的相邻管胞壁的S2 层,随后沿着S1/S2 界面扩展;拔出后早-晚材木条试样晚材细胞S2 层起始裂纹同时沿着CML/S1 和S1/S2 界面扩展;此外,交叉场区域容易发生应力集中,外部拉力载荷使得射线细胞发生剥离或整体脱落.[结论]PF树脂在早材和晚材中渗透差异导致两种类型胶合界面的剪切强度差异,早材木条和早-晚材木条自身结构和性能的差异性是造成拔出后界面断裂形貌差异的主要原因.
Fracture behavior of wood bonding interface based on fiber pull-out test

李振瑞、李芸琪、林兰英、刘杏娥

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中国林业科学研究院木材工业研究所,国家林业和草原木材科学与技术重点实验室,北京100091

国际竹藤中心,国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室,北京100102

纤维拔出试验 界面剪切强度 界面断裂失效 裂纹起始与扩展 细胞壁层破坏

国家自然科学基金

31890772

2023

10.12171/j.1000-1522.20230054

北京林业大学学报
北京林业大学

北京林业大学学报

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子：1.237
ISSN：1000-1522
年,卷(期)：2023.45(6)
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