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黑黄檀（Dalbergia fusca），又名版纳黑檀，属蝶形花科黄檀属乔木，近危种[1]，国家二级保护植物[2]，特有珍稀树种，在我国主要分布于云南西南部的西双版纳、普洱，越南、缅甸也有分布。其心材黑褐色、黑中带红，材质坚重致密，入水即沉，光滑油润，不翘不裂，心材的硬度极高，耐腐蚀，抗虫性强，耐久性好，木材纹理斜或交错，结构细，美观、耐磨，是制作高级家具、高级工艺品、高级乐器和高级室内装修的优质材料[3]。
作为珍贵红木树种，木材的基础材性对于其加工利用具有重要意义。但目前黑黄檀的研究主要集中在利用价值、种群保护、资源培育和引种适应性等方面[4]，关于黑黄檀木材材性的研究相对较少。通过测定黑黄檀木材的主要物理和力学性能指标，摸清其木材基础材性数据，为黑黄檀木材的合理开发和高效利用提供依据。
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黑黄檀试材于2022年5月采自云南省西双版纳景洪市，为40年生黑黄檀林，根据国家标准GB/T 1927-2009《木材物理力学试材采集方法》采集样木5株，样木平均胸径17.2 cm，平均树高18 m，每株样木截取标准原木段作为试材，测定木材物理和力学性质。
按照国家标准GB/T 1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》制备试样。试样初步加工后，依据国家标准GB/T1932、1933、1934.2、1935、1936.1、1940、1941-2009《木材物理力学试验方法》，测定黑黄檀木材的各项物理力学性质。物理性质测定指标主要包括基本密度、气干密度、全干密度、干缩性、湿胀性；采用万能力学试验机测试木材顺纹抗压强度、抗弯强度、冲击韧性、硬度等力学性能指标。计算各指标的平均值、标准差和变异系数，将实测数据换算为12%含水率时的数值。各测试指标、试件规格与数量见表1。
表 1 物理力学性能测试试样规格与数量
Table 1. Specification and quantity of physical and mechanical properties tests samples
测试指标
Test index试样尺寸
Specimen size/mm×mm×mm数量/块
Quantity/piece参照标准
Reference standard密度 20×20×20 20 GB/T 1933-2009 干缩性 20×20×20 32 GB/T 1932-2009 湿胀性 20×20×20 32 GB/T 1934.2-2009 顺纹抗压强度 30×20×20 26 GB/T 1935-2009 抗弯强度 300×20×20 35 GB/T 1936.1-2009 冲击韧性 300×20×20 158 GB/T 1940-2009 硬度 70×50×50 62 GB/T 1941-2009 -
木材密度是木材的一项重要物理性质指标，可反映木材的抗压强度、抗弯强度等力学性能[5~6]。在含水率相同的条件下，密度越大，其硬度及强度也越大。经测定，黑黄檀木材的基本密度、气干密度、全干密度分别为0.742 g·cm−3、0.963 g·cm−3、0.933 g·cm−3，变异系数分别为3.50%、5.41%和5.36%，变异性较小（表2）。参照《木材的主要物理力学性质分级表》[7]，黑黄檀木材密度处于第5级（气干密度0.951 g·cm−3），属于高密度木材。从密度来看，黑黄檀木材密度较大，切削时阻力也比较大。
表 2 黑黄檀木材的物理性能
Table 2. Physical properties of Dalbergia fusca wood samples
性能指标 Performance index 均值 Mean value 标准差 Standard deviation 变异系数 Variable coefficient/% 基本密度/g·cm−3 0.742 0.026 3.50 气干密度/g·cm−3 0.963 0.052 5.41 全干密度/g·cm−3 0.933 0.050 5.36 气干干缩率/% 弦向 6.779 1.086 19.61 径向 4.715 1.192 30.95 体积 11.380 1.948 20.96 气干干缩系数/% 弦向 0.440 0.070 19.61 径向 0.306 0.077 30.95 体积 0.739 0.126 20.96 气干差异干缩 1.502 全干干缩率/% 弦向 10.781 1.203 13.67 径向 8.662 1.235 17.46 体积 18.739 1.703 11.13 全干干缩系数/% 弦向 0.359 0.040 13.67 径向 0.289 0.041 17.46 体积 0.625 0.057 11.13 全干差异干缩 1.271 全干到气干湿胀率/% 弦向 4.487 0.281 7.66 径向 4.325 0.613 17.35 体积 9.055 0.537 7.27 气干差异湿胀 1.037 全干到饱水湿胀率/% 弦向 12.104 1.498 15.16 径向 9.504 1.485 19.13 体积 23.114 2.596 13.75 饱水差异湿涨 1.274 -
干缩性直接影响木材及其木制品的尺寸、性状和结构的稳定性等[8]。木材的差异干缩是评价木材干缩性质的重要指标。木材干缩时，会沿着木材弦向、径向收缩，差异干缩越小，干缩均匀，木材抗开裂能力越强[9]。根据木材的干缩差异值，将木材分为5个等级[7]，由表2可以看出，黑黄檀的气干差异干缩为1.502，全干差异干缩为1.271，差异干缩均处于第2级（1.21~1.60），差异干缩小，不容易引起开裂和变形。
木材干缩系数是评价木材干缩性质的另一个重要指标之一，由表2测定结果可以看出，黑黄檀木材全干体积干缩率18.739%，气干体积干缩率为11.380%，干缩系数分别为0.625%、0.739%。根据分级表[7]，其体积干缩系数为5级（>0.601%），干缩系数甚高。干缩系数高，加工时要预留加工余量。
木材湿胀与干缩相反，是体现木材从干到湿的一个变化湿胀会使木材强度下降。由表2可以看出，黑黄檀的弦向湿胀率较大，是径向湿胀率的1~1.2倍，与干缩略有差异。
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木材力学性能作为木材合理利用的重要依据，可体现木材抵抗外力的能力。黑黄檀木木材试样的力学性能测试结果见表3。
表 3 黑黄檀木材的力学性能
Table 3. Mechanical properties of Dalbergia fusca wood samples
性能指标 Performance index 均值 Mean value 标准差 Standard deviation 变异系数 Variable coefficient/% 顺纹抗压强度/Mpa 60.13 5.153 18.57 抗弯强度/Mpa 126.40 22.777 18.02 冲击韧性/kJ·m−2 80.82 44.761 55.39 硬度/Mpa 端面 105.38 1609.566 15.27 弦面 85.12 1585.424 18.62 径面 87.15 1848.576 21.21 -
木材的顺纹抗压强度是木材各种力学强度试验中的基本指标，表示木材在顺纹受力状态下单位面积承受压力荷载的最大内力，是判断木材对弯曲适应性的重要依据[9~10]。经计算，黑黄檀木材的顺纹抗压强度为60.13 Mpa，属第4级（60.1~75 Mpa）[7]，为高等级，高于我国阔叶散孔材类木材顺纹抗压强度平均值（46.7 MPa）。
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抗弯强度反映的是木材承受静力弯曲荷载的最大能力[6, 10]。从表3可以看出，黑黄檀木材的抗弯强度为126.4 Mpa，根据分级标准，属第4级（120.1~145.0 Mpa）。说明黑黄檀木材刚性高，不易弯曲变形，承受横向载荷的能力高。
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冲击韧性是评价木材韧性或脆性的指标，表征木材内部的细微缺陷和抗冲击性能[11~12]。黑黄檀木材冲击韧性为80.82 KJ/m2，属于第2级（25.1~85.0 KJ/m2），为中等。
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木材硬度与密度成正相关，表示木材抵抗其他刚体压入的能力[6, 10]。测试结果表明，黑黄檀木材的三个切面（端面、弦面和径面）的硬度分别为105.38 Mpa、85.12 Mpa、87.15 Mpa，硬度达V级（>100.1 Mpa），属于高硬度木材。其中端面硬度平均值最大，标准差和变异系数最小。黑黄檀木材耐磨性好且不易出现外观缺陷，是建筑材料、制作家具、地板等的优质用材。
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黑黄檀多用于制作红木家具、高级乐器、工艺品、室内装修等，衡量其木材品质的优劣并不仅需考量各项极限强度，还需具备良好的综合品质。
木材综合强度是木材用作承重构件等时的主要参考指标，为顺纹抗压强度和抗弯强度二者之和[13~15]。经计算，黑黄檀的木材综合强度为186.53 MPa，属强度很高等级（>166.6 MPa）[15]。
木材的品质系数又称强重比，主要用于评价木材品质，为木材某项力学指标极限强度与基本密度的比值[13]。一般用顺纹抗压与抗弯强度比之和来区分木材品质系数的等级[14]。计算得出黑黄檀木材的综合品质系数为277.83 MPa（表4），属很高等级（>215.6 MPa）[14]，为高等级材。
表 4 木材品质系数
Table 4. Wood quality coefficient
顺压品质系数
Compression quality coefficient静曲品质系数
Static curve quality coefficient综合品质系数
Comprehensive quality coefficient数值（MPa） 89.73 188.10 277.83 -
黑黄檀木材属于密度大、干缩性小的一类木材，其基本密度、气干密度和全干密度分别为0.742 g·cm−3、0.963 g·cm−3、0.933 g·cm−3，属高密度木材；体积全干、气干干缩率分别为18.739%、11.380%，对应的干缩系数分别为0.625%、0.739%，干缩系数大，达到5级，木材加工余量需预留充足。黑黄檀木材的主要力学指标中，顺纹抗压和抗弯强度等级为高，冲击韧性等级为中等，硬度为V级，材质坚硬；木材综合强度为186.53 Mpa，综合品质系数为277.83 Mpa，强度和强重比均达到高等级水平。这与邹寿青等[15]对黑黄檀木材性质的研究结论存在一定差别，各项指标值均低于其测定结果，但与王达明等[16]研究结果基本一致，这可能与试材年龄、取材地点及测试方法等影响有关，造成测定结果存在一定的差异性。总体来看，黑黄檀为木质硬重、韧性强、品质优良的珍贵硬材树种。
在木材利用方面，黑黄檀木材属红木中上品，是制作明清家具、高级乐器、工艺品及室内装饰等的优质材料，但由于黑黄檀生长缓慢，且缺乏加工工具和技术，一直未能很好地开发利用，要进一步开展黑黄檀木材机械加工性能等的测试，为其充分挖掘其高附加值潜力提供参考依据。
Physical and mechanical properties of Dalbergia fusca wood
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摘要: 为了解黑黄檀木材的基础材性，以云南西双版纳的黑黄檀为研究对象，进行了主要物理和力学性质的测定和分析。结果表明，黑黄檀木材属高密度等级材，全干体积干缩系数小；顺纹抗压强度、抗弯强度、冲击韧性分别为60.13 Mpa、126.4 Mpa、80.82 kJ·m−2，对应强度等级分别为4级、4级、2级；端面、弦面和径面的硬度分别为105.38 Mpa、85.12 Mpa和87.15 Mpa，其中端面和弦面硬度属很硬等级，为高硬度木材；木材的综合强度为186.53 Mpa，属高强度树种；木材的品质系数达277.83 MPa，属于高等级材。Abstract: In order to develop and utilize Dalbergia fusca wood reasonably, the main physical and mechanical properties of the wood were measured and analyzed. The results showed that Dalbergia fusca
wood was a high-density wood with small shrinkage coefficient of the total dry volume. The compressive strength, bending strength and impact toughness were 60.13 Mpa, 126.4 Mpa and 80.8 2 kJ·m−2 respectively, and the corresponding strength grade were grade four, four and second, respectively. The hardness values of end face, chord face and radial face were 105.38 Mpa, 85.12 Mpa, and 87.15 Mpa, respectively, and the hardness of end face and chord face belong to very hard level, and was high-density wood. The comprehensive strength of wood was 186.53 Mpa, belonging to high-strength species. The comprehensive quality coefficient of wood was 277.83 MPa, belonging to high-quality wood. -
Key words:
- Dalbergia fusca;
- wood;
- physical and mechanical properties
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表 1 物理力学性能测试试样规格与数量
Tab. 1 Specification and quantity of physical and mechanical properties tests samples
测试指标
Test index试样尺寸
Specimen size/mm×mm×mm数量/块
Quantity/piece参照标准
Reference standard密度 20×20×20 20 GB/T 1933-2009 干缩性 20×20×20 32 GB/T 1932-2009 湿胀性 20×20×20 32 GB/T 1934.2-2009 顺纹抗压强度 30×20×20 26 GB/T 1935-2009 抗弯强度 300×20×20 35 GB/T 1936.1-2009 冲击韧性 300×20×20 158 GB/T 1940-2009 硬度 70×50×50 62 GB/T 1941-2009 
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表 2 黑黄檀木材的物理性能
Tab. 2 Physical properties of Dalbergia fusca wood samples
性能指标 Performance index 均值 Mean value 标准差 Standard deviation 变异系数 Variable coefficient/% 基本密度/g·cm−3 0.742 0.026 3.50 气干密度/g·cm−3 0.963 0.052 5.41 全干密度/g·cm−3 0.933 0.050 5.36 气干干缩率/% 弦向 6.779 1.086 19.61 径向 4.715 1.192 30.95 体积 11.380 1.948 20.96 气干干缩系数/% 弦向 0.440 0.070 19.61 径向 0.306 0.077 30.95 体积 0.739 0.126 20.96 气干差异干缩 1.502 全干干缩率/% 弦向 10.781 1.203 13.67 径向 8.662 1.235 17.46 体积 18.739 1.703 11.13 全干干缩系数/% 弦向 0.359 0.040 13.67 径向 0.289 0.041 17.46 体积 0.625 0.057 11.13 全干差异干缩 1.271 全干到气干湿胀率/% 弦向 4.487 0.281 7.66 径向 4.325 0.613 17.35 体积 9.055 0.537 7.27 气干差异湿胀 1.037 全干到饱水湿胀率/% 弦向 12.104 1.498 15.16 径向 9.504 1.485 19.13 体积 23.114 2.596 13.75 饱水差异湿涨 1.274
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表 3 黑黄檀木材的力学性能
Tab. 3 Mechanical properties of Dalbergia fusca wood samples
性能指标 Performance index 均值 Mean value 标准差 Standard deviation 变异系数 Variable coefficient/% 顺纹抗压强度/Mpa 60.13 5.153 18.57 抗弯强度/Mpa 126.40 22.777 18.02 冲击韧性/kJ·m−2 80.82 44.761 55.39 硬度/Mpa 端面 105.38 1609.566 15.27 弦面 85.12 1585.424 18.62 径面 87.15 1848.576 21.21
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表 4 木材品质系数
Tab. 4 Wood quality coefficient
顺压品质系数
Compression quality coefficient静曲品质系数
Static curve quality coefficient综合品质系数
Comprehensive quality coefficient数值（MPa） 89.73 188.10 277.83
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