一种木质复合材料的力学建模设计
1.研究的目的与意义
木材是具有复杂结构的生物复合材料，它内部的多孔隙结构、性质上的各向异性以及耐久性等，使得木材具有与其它结构、性质不同的材料复合而改性增强的条件。木质复合材料是指由纤维、单板和刨花等各种形态不同的木质材料与一种或多种力学、物理或化学性能不同的材料，经过物理或化学方法复合而成的一种新型材料。传统上的木质复合材料在一定意义上都属于结构复合材料的范畴，按照发展时间来看，有早期的胶合板、刨花板、硬质纤维板，它们被称作“老三板”，后来有中密度纤维板、定向刨花板和华夫板，俗称为“新三板”，技术条件不断改善，又有了刨片层积材等木质复合材料。但是这些传统意义上的结构复合材料并不能满足人们日益增长的需要。研究人员探索出的具有功能化的新型木质复合材料迅猛发展，这种木质复合材料具有优良的声、光、热、电、力、机械等特性，和传统上用于单一结构目的材料有着很大区别。新型的具有功能型的木质复合材料种类丰富，例如木材和金属复合、木材和无机非金属（石墨）复合、木材—无机纳米复合材料、木材和塑料复合材料等等。但是，木质复合材料的不断发展，不可能总用传统的经验或者半经验式的方法对木质复合材料进行研究和探索，木质复合材料的力学性能测定过程过于耗费时间，而且测试结果不符合性能指标要求，就要重新制作板材，浪费木材。同时，由于对复合材料的某些特点认识得不够全面，在设计过程中要采用比传统工程材料更大的安全系数，也不能最优化设计方案。研究者运用数学物理等方法把细观力学、黏弹性力学、断裂力学等理论应用到木质复合材料中，并且作简单假设而建立了一些力学模型预测力学性能。有限元计算软件的使用可以计算复合材料力学性能等，更有无损检测的发展应用于新型木质复合材料中，这些都为木质复合材料的设计合成提供了强大动力。 有限元计算模拟可以结合微观和宏观来预测复合材料力学性质，为木质复合材料设计的最优化和按需制作特定功能复合材料提供了便捷，具有广阔的前景。
2.国内外研究现状
2.1木质复合材料的种类（常见复合方法）
新型木质复合材料的迅猛发展，其种类越来越丰富，复合方法越来越成熟，当前国内外复合方法主要有树脂浸渍改性等方式，其常用树脂为丙烯酸酯、酚醛树脂、甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、聚乙烯吡络烷酮、脲醛树脂、共聚树脂等，常用速生木材为杨木、透明木材、马尾松、杉木等，浸渍方法主要有真空浸渍、真空加压交替浸渍、真空浸渍等。
浸渍液种类对木材的力学性质起着决定性的作用，例如，Shams[1]等人系统研究了酚醛树脂浸渍木材的工艺流程并且分析和讨论了树脂在木材内的分布情况。浸渍处理木材的特性很大程度上取决于浸渍液的类型。
木质复合材料的种类不局限于结构复合材料，许多木材和金属复合、木材和合成高聚物聚合、木材和无机非金属聚合也都属于木质复合材料范围，它们满足了社会发展的需要，提高了木质复合材料的经济价值和使用价值，例如任重远、李邦[2]将干燥后的木材在抽真空和加压条件下用含有偶氮二异丁腈为引发剂的丙烯酸酯浸渍，然后包裹样品（防止热聚合过程中单体逸出）放入烘箱中热聚合，“原位”聚合后聚合物填充在各毛细管之间，木质复合材料的抗压强度等力学性质得到增强，他们从扫描电镜图发现除了木材纤维素和与聚合物之间可能发生化学反应外，还可能是由于聚合物填充在木材的孔隙和毛细管间，起到了复合增强作用。日本青森工业试验场的冈部敏弘和斋藤幸司[3]用木材及中密度纤维板等木质材料在酚醛树脂中浸渍后，在800℃到1200℃真空炭化得到新型多孔碳素材料，是新型的功能型木质复合材料，也称之为木材陶瓷。以上两种是木材和热固性树脂复合，其中日本试验场是通过浸渍后高温炭化得到多孔碳素材料，是木陶瓷（木质复合材料），极大地扩展了木质复合材料的种类，其复合工艺为开发新型功能化复合材料提供了借鉴思路。
透明木材相比玻璃、塑料更容易降解，具备很多其它透明材料不具备的光学特性，研究其力学强度等性质及改善复合工艺是必要的，例如Li[4]等在真空条件下，用预聚合的甲基丙烯酸甲酯溶液浸渍脱木质素的木模板30分钟，重复三次真空浸渍，确保浸渍充分，然后在进一步聚合之前，将脱木质素木模板夹在两玻璃片之间，并用铝箔包裹后放入烘箱中加热，得到的透明木材机械性能有显著提高。Zhu[5]等将环氧树脂和固化剂按比例配置浸渍液，然后浸渍脱水后的木材，采用抽真空的方法将木材中的气体和脱水时残留的有机溶剂去除，大约一段时间后，将充入气体，利用大气压力的作用将酚醛树脂填充到木材间隙中，这样的过程重复三次，最后在容器中静置树脂和木材样品，树脂固化完成后，从容器中剥离出木材就是透明木材。Zhu[6]等用质量分数为15％的聚乙烯吡络烷酮完全溶于乙醇中，然后浸渍脱水后的木材，在接近真空的条件下，使得聚乙烯吡络烷酮充分浸渍木材，最后放入60℃的环境中，等溶剂蒸发后，将木材从容器底部剥离即可得到树脂浸渍透明木材。以上学者们制备透明木材首先要制备脱木质素木模板，其脱木质素工艺的制备对最后成品力学性质具有重要影响，其次，浸渍树脂的选择和浸渍方式也有重要影响，如何最优化选择浸渍树脂和浸渍方式成了研究者们一个重要研究方向，同时透明木头的性质复杂，有待于建立力学理论模型或者计算机模拟软件去预测其力学性质。
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