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黑黄檀木材物理和力学性质研究

田蜜 董晓娜 曾祥全 陈飞飞

田蜜, 董晓娜, 曾祥全, 等. 黑黄檀木材物理和力学性质研究[J]. 四川林业科技, 2024, 45(1): 115−119 doi: 10.12172/202304170003
引用本文: 田蜜, 董晓娜, 曾祥全, 等. 黑黄檀木材物理和力学性质研究[J]. 四川林业科技, 2024, 45(1): 115−119 doi: 10.12172/202304170003
Tian M, Dong X N, Zeng X Q, et al. Physical and mechanical properties of Dalbergia fusca wood[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2024, 45(1): 115−119 doi: 10.12172/202304170003
Citation: Tian M, Dong X N, Zeng X Q, et al. Physical and mechanical properties of Dalbergia fusca wood[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2024, 45(1): 115−119 doi: 10.12172/202304170003

黑黄檀木材物理和力学性质研究


doi: 10.12172/202304170003
详细信息
    作者简介:

    田蜜(1985—),女,硕士研究生,高级工程师,tianmi1689@126.com

    通讯作者: zxq708@163.com
  • 基金项目:  海南省省属科研院所技术创新专项基础性科研工作(SQKY2022-0003);海南省省属科研院所技术开发专项(KYYS-2019-13)

Physical and mechanical properties of Dalbergia fusca wood

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    Corresponding author: zxq708@163.com
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    出版历程
    • 收稿日期:  2023-01-17
    • 网络出版日期:  2023-10-24
    • 刊出日期:  2024-02-25

    黑黄檀木材物理和力学性质研究

    doi: 10.12172/202304170003
      作者简介:

      田蜜(1985—),女,硕士研究生,高级工程师,tianmi1689@126.com

      通讯作者: zxq708@163.com
    基金项目:  海南省省属科研院所技术创新专项基础性科研工作(SQKY2022-0003);海南省省属科研院所技术开发专项(KYYS-2019-13)

    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。

    English Abstract

    • 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。

      • 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。

      • 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)。

      • 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。

      • 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。

      • 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。

      • 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)89.73188.10277.83
      • 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。

    参考文献 (16)

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