强微波场作用下木材黏弹塑性响应机制研究

It is important to accurately describe the complex stress-strain relationship of wood and find out the connection between the stress-strain relationship and the structure of wood. The relationships are great significance to the development of polymer condensed matter theory, especially the development of wood physics. In this project, we will use the high power microwave treat wood to produce high internal stress, it will appear in different degrees of plastic damage zone in wood, while retain most of the elastic and viscous zones. The visco-elastoplastic theory is extended from viscoelasticity theory of wood to describe the complex stress-strain relationship. Based on the relation between stress, strain and strain rate, the constitutive equation describing the visco-elastoplastic response law is constructed. The parameters of the constitutive equation, such as modulus, viscosity, stress intensity factor and relaxation time, are used to characterize the properties of wood. The models of stress-strain relationship of wood are studied based on the characterization of microstructure. The effect mechanism of temperature on the visco-elastoplastic of wood is also investigated. Based on the study of visco-elastoplastic of wood under transient high stress, it not only has great significance for the development of wood physics, but also provides a theoretical direction for the processing and application of wood.

精确描述出木材的复杂应力-应变关系，并找出这种关系与木材的各级结构间的联系，对高分子凝聚态理论，尤其是木材物理学的发展具有重要意义。本项目拟利用强微波场对木材产生瞬时高内应力，使其产生塑性区，同时保留大部分弹性区和黏性区。提出将塑性引入木材黏弹性理论中，扩展为黏弹塑性理论描述其应力-应变关系。利用实验测得的应力、应变和应变率间的关系，构建描述黏弹塑性响应规律的本构方程，以本构方程中的参数，如模量、黏度、应力强度因子和松弛时间等，表征木质材料的特性。利用微观结构的表征，研究微观结构对木材应力-应变关系的影响，建立描述黏弹塑性的正确模型。同时探究温度对木材黏弹塑性的作用机理。通过对木材在瞬时高应力作用下黏弹塑性的研究，不仅对木材物理学的发展具有重要意义，也为木材的加工和应用提供了力学方面的理论依据。

木材是黏弹性材料，其黏弹性能研究一直是木材学科研究的热点问题。但木材作为一类可弯曲和软化的材料，其塑性的定量研究和模型研究还鲜见报道。本项目选取辐射松和樟子松为研究对象，利用强微波场对木材产生本征塑性性能变化，并利用载荷-位移曲线，通过公式和编程，获取表征木材本征塑性性能参数，实现木材塑性性能的定量表征，进而揭示微波处理对木材塑性性能影响机制。同时对木材微波处理后化学成分和植物糖基聚酯胶粘剂改性进行研究，揭示微波对木材各组分相互作用机制。本项目研究结果对了解木材塑性本质起源，指导微波处理木材性质改良，以及开发新型木质材料具有重要的现实和理论指导意义。研究结果表明：1）随着微波能量密度的增加，辐射松的塑性性能先增加后减小，塑性增强的最佳处理工艺为功率100kW，处理速度1.0m/min，修正微波能量密度为31.56kWh/m3。其弯曲系数塑性参数最大值为0.032，比对照样的平均值0.015增加了113%；其塑性参数分别为：塑性模量1368.05MPa、塑性势0.078MPa、近似塑性功12057.26mJ、总塑性功15187.69mJ、近似误差20.61%、塑性弹性功比90.35%。结果表明，在微波功率范围内，木材塑性显著提高。通过高能微波预处理改变了木材本身塑性性能（细胞腔、纹孔、木射线等层面，破坏性），而不仅仅是加热软化（纤维层面软化，非破坏性）。2）麦芽糖糊精和柠檬酸的多元醇与多元酸发生的聚酯反应，可实现木材内部的原位聚合。通过微波预处理和生物聚酯处理相结合，是一种很有前途的木材改性方法，其中抗膨胀效率值约为57%。结果表明，优化微波预处理和生物聚酯处理工艺参数可以显著改善木材的性能。3）木材弯曲性能和塑性性能的定量分析和分析程序，有助于实现木材弯曲性能和塑性性能快速检测，相关程序也可嵌入进万能力学测试仪程序中，实现检测的自动化和多功能化。