木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測方法的研究現(xiàn)狀與趨勢

劉 妍，張厚江

(北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083)

木質(zhì)材料是一類包括木材和以木材 (或其廢料)為主要原料，經(jīng)過機(jī)械加工，物理化學(xué)處理而得到的具有木材基本特征和主要組分的材料。在現(xiàn)代，木質(zhì)材料已形成一個品種較多、性能差異較大的材料體系，它包括木材、改性木材、木質(zhì)人造材料 (膠合板、纖維板、刨花板)和木質(zhì)復(fù)合材料 (木材塑料、木材層積塑料、塑化碎料板)等幾大類［1］。

無損檢測與傳統(tǒng)的測量方式相比，最大特點(diǎn)是不破壞材料的原有特性，而且能在短時間內(nèi)獲得期望的結(jié)果。各種無損檢測方法的基本原理幾乎涉及到現(xiàn)代物理學(xué)的各個分支，其測量結(jié)果必須與一定數(shù)量的破壞檢測結(jié)果相比較，才能建立可靠的基礎(chǔ)并得到合理的評價。目前應(yīng)用到木材性質(zhì)檢測的無損檢測技術(shù)已達(dá)幾十種，利用這些方法可以測定木質(zhì)材料的密度、含水率、力學(xué)性能和內(nèi)部缺陷，以及古建筑木構(gòu)件的檢測和評估、古樹名木的健康狀況評價等領(lǐng)域［2］。

對木質(zhì)材料力學(xué)性能的檢測主要是為了其應(yīng)用價值的確定和質(zhì)量分等，木質(zhì)材料的力學(xué)性能包括彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等。其中彈性模量是代表其力學(xué)性能總體情況的有效指標(biāo)，也是木質(zhì)材料一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料無損檢測的重要參數(shù)及強(qiáng)度在線實(shí)時自動分級的基本依據(jù)。與木質(zhì)材料內(nèi)部缺陷、密度和含水率等無損檢測相比，對其力學(xué)性能的無損檢測處于相對初級階段，具有較大的挑戰(zhàn)性。

1 木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測方法

(1)振動法。對木材試件施力使其產(chǎn)生振動，通過傳感器測得試件的自由振動頻率和自由振動的減幅程度及試件質(zhì)量，根據(jù)木材試件的振動特性與彈性模量之間的相關(guān)關(guān)系，得出試樣的彈性模量。

(2)聲波法。聲波法可分為聲發(fā)射技術(shù)(AE)和超聲波技術(shù) (AU)［3］。

聲發(fā)射法是利用木質(zhì)材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，會以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的原理，測定木質(zhì)材料發(fā)射的聲波，并依據(jù)聲波的波形來確定材料內(nèi)部的裂紋、缺陷、結(jié)構(gòu)變化、破壞先兆等內(nèi)部動態(tài)信息或其物理力學(xué)性能。

超聲波法是在被測試件厚度與波長相比可以忽略的情況下，沿長度方向向被測物某一端面輸入一個超聲波，在另一端檢測記錄傳經(jīng)被測物的超聲波波形。由于超聲波在物質(zhì)中傳播時會發(fā)生衰減現(xiàn)象，其縱波波速c與介質(zhì)密度ρ、超聲彈性模量E的關(guān)系為E=ρc2，在測出超聲波速度后，計算出木材的彈性模量。根據(jù)彈性模量與力學(xué)性質(zhì)的正相關(guān)性，可以估算出被測木材的機(jī)械強(qiáng)度。

(3)機(jī)械應(yīng)力法。機(jī)械應(yīng)力檢測法的基本原理有兩類，一類是施加恒定力于被測試材，測定相應(yīng)的變形;另一類是施加恒定變形于被測試材，測定相應(yīng)的載荷，然后計算出被測試材的彈性模量和抗彎強(qiáng)度。測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測試值相比，其偏差在±2% ～ ±5%以內(nèi)［2］。

(4)沖擊應(yīng)力波法。應(yīng)力波檢測法為接觸類檢測，利用撞擊在木材或木質(zhì)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的機(jī)械波傳播，根據(jù)木質(zhì)構(gòu)件的彈性模量E與應(yīng)力波速度v和木質(zhì)材料密度D之間存在關(guān)系E=v2D/g，其中g(shù)為重力加速度。通過測量應(yīng)力波傳播速度就可確定木質(zhì)材料的彈性模量，并對靜曲強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行有效的預(yù)測。

(5)FFT分析檢測。FFT是快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)的縮寫，它是一種利用電子計算機(jī)技術(shù)對信號頻譜進(jìn)行快速分析的方法。其基本原理是通過敲擊試樣使其產(chǎn)生撓曲振動，并瞬間拾取音響來檢測振動，利用FFT進(jìn)行瞬間頻譜分析求出各次共振頻率，應(yīng)用Timoshenko理論根據(jù)測得的共振頻率及試樣的密度和外形尺寸，由計算機(jī)計算出被測試樣的抗彎彈性模量E和剪切彈性模量G［4］。

(6)射線法。以射線透射木質(zhì)材料，用射線接收傳感器直接測量窄小范圍內(nèi)透射試樣前后射線強(qiáng)度的變化，射線衰減率的一般表達(dá)式為:I=Ioe－μh，式中:Io為入射前強(qiáng)度，I為入射后強(qiáng)度，h為木材試件厚度，μ為衰減系數(shù)。根據(jù)射線衰減率以及試樣的平均吸收系數(shù)推算出木質(zhì)材料的密度，根據(jù)密度與木質(zhì)材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，推導(dǎo)出木質(zhì)材料的力學(xué)性能。

(7)微波法。微波是波長范圍為1 mm～1 m(即頻率從300 kHz～300 MHz)的電磁波。當(dāng)微波經(jīng)過介質(zhì)時，其傳播速度和波形的衰變等均取決于介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)，利用介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)常數(shù)成比例的原理，測定穿透木質(zhì)材料的電磁波電學(xué)性質(zhì)的變化率來分析材料的力學(xué)性質(zhì)。

2 國內(nèi)外常用力學(xué)性能無損檢測方法的研究現(xiàn)狀

2.1 超聲波法的研究現(xiàn)狀

對木材物理力學(xué)性質(zhì)與超聲波之間相關(guān)關(guān)系的研究始于20世紀(jì)60年代，美國、英國和日本等國的林業(yè)研究人員已對超聲波的參數(shù)與木材強(qiáng)度、物理性質(zhì)、超聲彈性模量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，取得了一些可喜的成績。1989年，Greubel應(yīng)用超聲波技術(shù)檢測了聲波在刨花板內(nèi)的傳播，結(jié)果發(fā)現(xiàn)刨花板的橫向抗拉強(qiáng)度與聲波傳播速度有明顯的相關(guān)性［5］。1996年Niemz和Poblete研究了刨花板的聲傳播速度，認(rèn)為抗彎彈性模量與聲傳播速度間有密切相關(guān)性［6］。

我國林業(yè)工作者在1980年開始將超聲波技術(shù)應(yīng)用于木材物理力學(xué)性質(zhì)的測定，并得出了木材順紋抗壓彈性模量和抗彎彈性模量與超聲波參數(shù)之間的關(guān)系。李華等在2003年用超聲波檢測儀對大鐘寺博物館鐘架進(jìn)行了無損檢測，測定鐘架木材的彈性模量，并與同種木材按國家標(biāo)準(zhǔn)測定的彈性模量對比，對鐘架木結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度的變化做出評估［7］。嵇偉兵等以137塊大尺寸杉木板材為研究對象，通用超聲波測試儀測量板材的動態(tài)彈性模量，同時利用木材萬能試驗(yàn)機(jī)測試其靜曲彈性模量，并分析兩種試驗(yàn)方法測定結(jié)果之間的關(guān)系。結(jié)果表明不同厚度的試樣其靜曲彈性模量和動態(tài)彈性模量之間均呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.75～0.95之間［8］。

2.2 振動法的研究現(xiàn)狀

J Ilie研究了55種 (45種闊葉材、10種針葉材)樹種，尺寸為20 mm×20 mm×300 mm和20 mm×20 mm×150 mm兩種規(guī)格木材的縱向動態(tài)彈性模量和橫向動態(tài)彈性模量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，它們之間具有極其顯著的相關(guān)關(guān)系 (R都大于0.96)。利用這一對小尺寸試件的研究結(jié)果，可以方便、快速地對立木彈性模量進(jìn)行預(yù)測［9］。美國農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室 (USDA Forest Products Laboratory)多年來對大尺寸結(jié)構(gòu)用木材進(jìn)行了深入研究，試件采用簡支梁支撐方式，利用橫向振動原理測定結(jié)構(gòu)用木材的力學(xué)性能。

胡英成等在2001年利用彎曲振動試驗(yàn)、縱波傳播試驗(yàn)及縱波共振試驗(yàn)，對膠合板和刨花板的抗彎彈性模量進(jìn)行無損檢測，并分析了3種試驗(yàn)方法測定結(jié)果之間的關(guān)系［10，11］。張厚江等在2005年利用振動法測定木質(zhì)材料的彈性模量，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橫向振動方式可以有效地測得木板試件的固有頻率值，測定效果好，而縱向振動方式不能有效測得試件的固有頻率值。通過與靜態(tài)測試結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)振動方式測得的彈性模量值比靜態(tài)方式測得的稍大［12］。池德汝等利用橫向振動測試手段測量纖維板的動態(tài)彈性模量，振動系統(tǒng)所測得的纖維板的彈性模量精度較好。將纖維板的動彈性模量與靜彈性模量進(jìn)行回歸分析，得出纖維板的動彈性模量與靜彈性模量密切線性相關(guān)的結(jié)論［13］。

2.3 應(yīng)力波檢測法的研究現(xiàn)狀

Ross等在1988年就研究得出木材的彈性模量E與應(yīng)力波速度v和木材密度ρ有關(guān)，三者之間的關(guān)系為E=ρv2。他們認(rèn)為可通過測量應(yīng)力波傳播速度來確定木質(zhì)材料的彈性模量［14］。Wagner等用應(yīng)力波技術(shù)研究美國花旗松的彈性模量和應(yīng)力波傳播速度關(guān)系，用回歸分析方法得出應(yīng)力波縱向速度與動彈性模量的相關(guān)系數(shù)R2=0.466，而應(yīng)力波橫向速度與動彈性模量的相關(guān)系數(shù)R2=0.591［15］。Robert J Ross等在2005年對剝皮后的Douglas－fir進(jìn)行檢測，結(jié)論是應(yīng)力波檢測的剝皮后木材動態(tài)彈性模量可以很好地預(yù)測原木的動態(tài)、靜態(tài)彈性模量，但是與原木的抗彎、抗壓彈性模量的關(guān)系不明顯［16］。

1995年，王志同等應(yīng)用應(yīng)力波法檢測中密度纖維板的彈性模量，結(jié)果表明應(yīng)力波法獲取的中密度纖維板彎曲彈性模量具有足夠精度，利用應(yīng)力波法對中密度纖維板生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行在線檢測和自動控制也是可行的［17］。馮國紅、王立海等在2008年利用應(yīng)力波木材無損檢測技術(shù)開發(fā)出了應(yīng)力波木材無損檢測信號采集系統(tǒng)，對應(yīng)力波在木材中傳播的信號進(jìn)行采集，通過對采集信號進(jìn)行頻譜分析、小波變換等處理，可以得到應(yīng)力波在木材中的傳播速度等參數(shù)［18］。

3 常用力學(xué)性能無損檢測方法的特點(diǎn)及存在問題

3.1 超聲波法的特點(diǎn)和存在問題

超聲波法的特點(diǎn)是超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質(zhì)中沿直線傳播，具有良好的指向性。超聲波比普通聲波的頻率高，穿透能力強(qiáng)，傳播能量比聲波大得多。超聲波在固體中的傳輸損失很小、探測深度大、檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低及對人體無害。但超聲波檢測技術(shù)易受外界干擾，并且如何將傳感器與被測材料更好地連接是常見問題，木質(zhì)材料與超聲波探測頭之間的空氣間隙需要有良好的耦合劑。尤其是應(yīng)用于在線檢測時，如何實(shí)現(xiàn)既不影響生產(chǎn)效率，又能有效進(jìn)行檢測，還需要更深入的研究。

3.2 振動法的特點(diǎn)和存在問題

振動法的特點(diǎn)是簡單、快速和便捷，研究學(xué)者運(yùn)用振動法已經(jīng)建立了振動與木質(zhì)材料彈性模量、抗彎強(qiáng)度和硬度之間的相關(guān)關(guān)系。但是人工敲擊產(chǎn)生振動信號的操作方式存在主觀的人為因素，會對檢測結(jié)果的可靠性和靈敏度產(chǎn)生影響。為了減少邊緣條件的影響，提高自然頻率檢測的準(zhǔn)確性，人工操作方式將被儀器化、智能化及自動化的操作方式所取代。通常檢測到的振動信號為微小信號，如何避免或減小不同干擾源對測試信號的影響，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，是振動類測試系統(tǒng)需要考慮的問題之一。

3.3 應(yīng)力波法的特點(diǎn)和存在問題

應(yīng)力波法的特點(diǎn)是不受被測木材形狀和尺寸限制，在傳感器和被測木材之間無需使用耦合劑。應(yīng)力波的傳播距離遠(yuǎn)，傳播能量大，抗干擾能力強(qiáng)。對人體無害，安全可靠，其設(shè)備小巧，攜帶方便。然而木材屬于各向異性材料，但目前用于應(yīng)力波法測量試件動態(tài)彈性模量的計算公式基于各向同性材料，這樣對檢測精度會造成一定影響。應(yīng)力波在木材中的傳播速度可達(dá)微秒級，一般的數(shù)據(jù)采集和信號檢測設(shè)備很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，對信號波形的分析更是困難［19］。

4 木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

(1)對非規(guī)格材和新型木質(zhì)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。國內(nèi)對木質(zhì)材料動態(tài)彈性模量的研究較少，且研究對象幾乎都是力學(xué)檢測國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定尺寸的試件，對于市場上流通的大尺寸木質(zhì)材料的動態(tài)彈性模量還未進(jìn)行相關(guān)研究，對薄壁類小尺寸試件和新型木質(zhì)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究也十分有限，今后將對這類木質(zhì)材料進(jìn)行更加深入的研究。

(2)木質(zhì)材料局部力學(xué)性能的評價。目前的研究幾乎都是對木質(zhì)材料的整體性能進(jìn)行評價，而很少對局部力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測與估計。并且利用動態(tài)檢測法檢測出的彈性模量都是樣本的平均值，對于木材這種變異性大的材料僅僅進(jìn)行整體預(yù)測還是不夠的，因?yàn)槠涫褂眯阅茉诤芏鄷r候取決于最低力學(xué)強(qiáng)度點(diǎn)。因此應(yīng)加強(qiáng)木質(zhì)材料局部性能的評價，以提高最終的利用率。

(3)木質(zhì)材料力學(xué)性能檢測的聯(lián)機(jī)化。目前用于木質(zhì)材料力學(xué)性能的無損檢測方法較多，但每一種方法都存在一定的缺陷，且所測得的特性都不是其實(shí)際強(qiáng)度。在不同的試驗(yàn)環(huán)境、不同樹種或木材的不同狀態(tài)，采用同種試驗(yàn)方法得到的結(jié)果也不盡相同。因?yàn)槟静男再|(zhì)的差異性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得單獨(dú)利用一種測量方法得到的結(jié)果往往不夠理想。將多種方法聯(lián)合檢測，可以大大提高測試系統(tǒng)分析的精度和識別的準(zhǔn)確性［20，21］。

(4)木質(zhì)材料力學(xué)性能在線檢測和自動分級。對于木質(zhì)材料力學(xué)性能的在線自動檢測和分級，國外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究，比較實(shí)用的方法有機(jī)械應(yīng)力分級、應(yīng)力波檢測和超聲波檢測等。根據(jù)木質(zhì)材料物理力學(xué)性能指標(biāo)與基本力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，推算出成材的力學(xué)強(qiáng)度從而進(jìn)行自動分級和分等。目前我國對木質(zhì)材料在線質(zhì)量控制領(lǐng)域的研究還是一個空白，對木質(zhì)材料彈性模量的在線檢測剛剛起步，建立木質(zhì)材料的在線檢測系統(tǒng)將是我國木材無損檢測領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

(5)帶有抗干擾裝置的力學(xué)性能檢測系統(tǒng)。隨著木材無損檢測技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，檢測木質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)的測試儀器將不再僅局限于單一裝置，而是集檢測、分析、處理、顯示及記錄為一體的測試系統(tǒng)。這類測試系統(tǒng)將更多的應(yīng)用于實(shí)際檢測環(huán)境中，對于不同干擾源和抗干擾裝置的研究也就必不可少，借以保證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。可從添加硬件裝置和編譯軟件程序兩方面著手，消除或減小干擾源對測試系統(tǒng)的影響。

5 結(jié)論

木材無損檢測技術(shù)是一門新興的、綜合性的木材非破壞性檢測技術(shù)，涉及范圍廣，以射線類和振動類為主要研究方向。應(yīng)力波檢測、超聲波檢測和振動法檢測是3種比較常用的木材無損檢測方法。今后，還需對木質(zhì)材料力學(xué)性能的無損檢測技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究，將有助于提高材料的質(zhì)量控制水平，防止人為浪費(fèi)，使木質(zhì)材料的應(yīng)用達(dá)到最大化。

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