木材物理学特性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 木材的物理性质,本章难点与重点,:,木材中的吸着水、纤维饱和点、吸着滞后现象和平衡含水率概念及其在生产上的指导意义；,木材干缩湿胀发生规律、原因、对木材利用的影响及其有效控制途径,木材密度种类及其意义,木材声学、电学性质,木材的视觉、调温调湿等环境学特性,第,5,章 木材的物理性质,目录,5.6,木材的声学性质,5.5,木材的电学性质,5.4,木材的热学性质,5.3,木材的密度,5.2,木材的干缩与湿胀,5.1,木材中的水分,5.,7,木材的环境学特性及其对人类居住的影响,5.1,木材中的水分,本节重点与难点：木材纤维饱和点和木材的吸湿性,重点掌握：木材中的吸着水、纤维饱和点、吸湿滞后现象和平衡含水率慨念及其生产上指导意义。,5.1.1,木材含水率及其测定,5.1.2,木材的纤维饱和点,5.1.3,木材的吸湿性,5.1.4,木材中水分的移动,5.1.5,木材的吸水性,5.1,木材中的水分,目录,5.1.6,木材透水性,5.1.1,木材含水率及其测定,5.1.1.1,木材中水分存在的状态,自由水,指以游离态存在于木材细胞的胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管中的水分，包括液态水和细胞腔内水蒸汽两部分。,影响到木材重量、燃烧性、渗透性和耐久性，对木材体积稳定性、力学、电学等性质无影响。,吸着水,是指以吸附状态存在于细胞壁中微毛细管的水，即细胞壁微纤丝之间的水分。,吸着水多少对木材物理力学性质和木材加工利用有着重要的影响。,化合水,是指与木材细胞壁物质组成呈牢固的化学结合状态的水。,这部分水分含量极少，而且相对稳定，是木材的组成成份之一。,5.1.1,木材含水率及其测定,5.1.1.2,木材含水率种类与测定方法,1,）木材含水率定义,绝对含水率,相对含水率,W,绝,绝对含水率，,%;,W,相,相对含水率，,%,；,G,0,全干木材的重量，,g;,G,w,测定时木材重量，,g,2,）木材含水率的测定方法,干燥法,是将欲测含水率的木材称其初重（,Gw,）后放入烘箱，先在,60,低温下烘干,2,小时，之后将温度调至,1032,，连续烘干,8,10h,后至重量（,G0,）不变,蒸馏法,23mm,厚度的碎木置于三角瓶中，加热蒸馏；水蒸汽与二甲苯蒸汽进入冷却器，经冷凝的液体即流入受器中，水分重沉至下部，多余的二甲苯则沿侧管返回瓶中,.,蒸馏法测定木材含水率,5.1.1,木材含水率及其测定,5.1.1,木材含水率及其测定,电测法,电测法是利用木材电学性质如电阻率、介电常数和损耗因素等与木材含水率的关系设计出一种测湿仪。,电阻式,交流介电式,根据木材的直流电阻率随木材含水率变化的原理，测量范围：,728%,根据木材的介电常数、损失角正切值随木材含水率的增加而增加原理，测量范围：可由绝干材至饱和含水率。但由于制造上的困难，实际上测湿范围是有所限制。,木材含水率测定仪,感应式水分测定仪,测量原理,:,电磁波感应木材水分,不损坏木材,测量精度高,测量范围,:050%,插入式木材测湿仪,测量原理,:,电阻式测量木材水分,木材测湿仪,5.1.1.3,木材含水率的变化与分类,1,）木材含水率的变化,树种间差异：,不同树种，含水率不同,株内差异，,心材小于边材；,如云南松边材含水率为,106%,，而心材含水率为,55%,；枫香的边材含水率为,137%,，而心材含水率为,79%,。,5.1.1,木材含水率及其测定,2,）不同含水量状态下木材的分类,5.1.1,木材含水率及其测定,自由水,结合水,细胞壁,细胞腔,纤维饱和点,2333%,湿材状态,100%,生材状态,50%,气干状态,1018%,绝干状态,0,5.1.2,木材的纤维饱和点,5.1.2.1,纤维饱和点定义及其意义,纤维饱和点,指,木材细胞壁吸着水处于饱和状态,而,细胞腔无自由水时,称为木材纤维饱和点，此时的含水率为纤维饱和点含水率。,纤维饱和点含水率平均约为,30%,。,纤维饱和点是木材多种材性的转折点,就大多数木材力学性质而言，如含水率在纤维饱和点以上，其强度不因含水率的变化而有所增减。当木材干燥含水率减低至纤维饱和点以下时，其强度随含水率之减低而增加,，如图所示,返回,5.1.3,木材的吸湿性,5.1.3.1,木材吸湿性及其产生原因,木材细胞壁结构特点,:,如图所示,木材的吸湿性是指木材从空气中吸收水分或向空气中蒸发水分的性质。,木材吸湿性产生的条件,:,空气中的水蒸汽压力与木材表面水蒸汽压力不相等,木材发生吸湿内因,:,纤维素和半纤维素等化学结构中有许多自由羟基,(,一,OH),木材吸湿的空间位置,:,细胞壁中无定形区域,木材管胞细胞壁微细结构,细胞壁内微纤丝组成,微纤丝由纤维素分子链组成，分为结晶区与无定形区,自由羟基的由来,?,木材细胞壁结构,返回,5.1.3,木材的吸湿性,木材细胞壁中的吸着水状态,木材细胞壁中的初级和次级吸着水,讨论,:,自由水与吸着水的性质是否相同，为什么？,5.1.3.2,木材吸湿滞后现象,吸湿,:,当空气中的水蒸气压力大于木材表面水蒸气压力时，,木材从空气中吸收水分,的现象。,解吸,:,空气的蒸气压力小于木材表面的水蒸气压力时，,木材中水分向空气中蒸发,的现象。,吸湿滞后,:,在相同的大气温度和相对湿度条件下，干燥木材的,吸湿过程,所能达到的最大含水量总是低于潮湿木材,解吸过程,所能达到的最小含水量，这种,解吸稳定含水率大于吸湿稳定含水率,现象称为木材吸湿滞后。,5.1.3,木材的吸湿性,5.1.3,木材的吸湿性,吸湿滞后,=W,解吸,-W,吸湿，,范围为,1%5%,，平均为：,2.5%,吸湿滞后在木材干燥中具有重要应用：干燥木材最终含水率为：,木材吸湿与解吸曲线关系,5.1.3.3,木材平衡含水率,木材平衡含水率,薄小木料在一定空气状态下最后达到的吸湿或解吸稳定含水率叫做平衡含水率。,5.1.3,木材的吸湿性,木材平衡含水率图,5.1.3,木材的吸湿性,木材平衡含水率测定方法：,气干材或生材，置于室内通风良好之处，直至与空气湿度平衡，含水率不再变化，测定此的木材含水率。,讨论：为什么常用气干材或生材测定木材平衡含水率？能否用绝干材，为什么？,木材平衡含水率是一个动态值：,与环境的温、湿度条件、木材尺寸等有关，地区间存在差异。,讨论：木材平衡含水率在木材加工中的应用,5.1.4,木材中水分的移动,木材水分移动的主要通道与机理,木材细胞中的主要空隙,:,含水率高于纤维饱和点时,:,毛细管张力差引起的液态水沿着细胞腔与纹孔的移动。,在纤维饱和点以下,:,在水蒸汽梯度压力的作用下，水蒸汽沿着细胞腔并通过纹孔及纹孔膜上小孔，由内向外扩散。,在毛细管力作用下，吸着水沿着细胞壁内微内细管系统的移动。,两种路径相互交替移动。,5.1.5,木材的吸水性,木材浸于水中吸收水分的能力，称为木材的吸水性。,木材吸水性的影响因素：树种、时间,木材吸水性的测定：,202020mm,试样干燥后放入盛有蒸馏水的容器内，至重量不再变化时的含水率。,5.1.6,木材透水性,液体或水借其本身的吸力或外界的压力渗入木材内部的能力称为木材的透水性。,透水性与木材加工的关系：,透水性与木材防腐、注入阻燃剂、油漆、着色、涂胶、树脂的浸出等关系密切。木材透水性大，有利于木材防腐、油漆、着色、涂胶、树脂的浸出等。而对于木制水管、水桶和船舶用材等应用其不利的条件，水桶用材应选用渗透小的木材。,如酿造葡萄酒的酒桶选用侵填体含量较多的麻栎等木材。,水分或液体透水性影响因素：,液体性质、温度、树种（内含物与具侵填体等）、心材、边材、纹理方向等而异。,讨论：心材与边材的渗透性比较，哪一种渗透性好，为什么？,4.2,木材的干缩与湿胀,4.2.1,木材干缩与湿胀,4.2.2,木材干缩与湿胀各向差异的原因,4.2.3,木材干缩的评价指标与测定方法,4.2.4,木材干缩和湿胀对木材加工和使用的影响,4.2.4,减少木材干缩、湿胀的方法,4.2.1,木材干缩与湿胀,4.2.1.1,木材干缩和湿胀现象,（,1,）木材干缩和湿胀,湿材因干燥而缩减其尺寸的现象称之为干缩；干材因吸收水分而增加其尺寸与体积的现象称之为湿胀。,（,2,）木材干缩（湿胀）的种类,木材的干缩分为线干缩与体积干缩二大类。,纵向,干缩是沿着木材纹理方向的干缩，其收缩率数值较小，仅为,0.10.3%,，对木材的利用影响不大。横纹干缩中，,径向,干缩是横切面上沿直径方向的干缩，其收缩率数值为,36%,；,弦向,干缩是沿着年轮切线方向的干缩，其收缩率数值为,612%,，是径向干缩的,1-2,倍。,4.2.1.2,影响木材干缩和湿胀主要因素,影响因素：,（,1,）树种,树种不同，其构造和密实程度不同，干缩湿胀树种间差异很大（如下表）。有的树种很容易干燥，干缩湿胀和变形都很小，而有的树种特难干燥，其干缩湿胀很大，使用和干燥过程中特别易发生开裂变形。,树种,径向干缩,弦向干缩,体积干缩,树种,径向干缩,弦向干缩,体积干缩,云南松,4.46,9.55,13.86,白,桉,4.9,7.8,13.3,杉,木,2.99,7.35,10.35,北方红栎,4.0,8.6,13.7,长白落叶松,3.28,8.83,12.11,黑胡桃木,5.5,7.8,12.8,马尾松,3.69,8.95,12.62,美国侧柏,2.4,5.0,6.8,海岸花旗松,4.8,7.6,12.4,杨,木,3.15,7.28,11.01,加州铁杉,4.2,7.8,12.4,西岸云杉,4.3,7.5,11.5,部分树种木材的干缩率,/%,（,2,）微纤丝角度,木材纵向干缩和弦向干缩与微纤丝角度间的关系,晚 材 率（）,干 缩 率 （）,弦向干缩率 径向干缩率,20,25,25,30,30,35,35,40,40,以上,6.6,7.6,8.1,8.6,8.6,3.4,4.2,4.3,4.8,5.8,马尾松晚材率与横纹干缩的关系,树 种,年轮中早材与晚材,干 缩 率（）,弦 向,径 向,体 积,冷 杉,松 木,落 叶 松,早 材,晚 材,早 材,晚 材,早 材,晚 材,5.68,10.92,8.05,11.26,7.11,12.25,2.89,9.85,2.91,8.22,3.23,10.19,8.77,19.97,10.86,18.87,10.34,20.96,早晚材与干缩的关系,（,4,）树干中的部位,4.2.2,木材干缩与湿胀各向差异的原因,与组成木材这种材料的细胞种类、细胞壁构造和化学成分特性相关。,木材纵向干缩小，横向干缩大。形成此种现象的主要原因，关键在于木材的构造和化学组成成分的特性。木材中仅有木射线细胞是横向排列，绝大部分细胞是纵向排列。,4.2.2.1,纵向干缩与横向干缩差异的原因,不同纤丝角度的木材干燥前后纵横向尺寸的变化,1-1,试样干燥前尺寸,1-2,试样干燥横向尺寸变化,2-1,试样干燥前尺寸,2-2,试样干燥纵向尺寸变化,木材细胞壁次生壁中间层微纤丝主轴是由,C-C,、,C-O,键连结，水分子无法进入到纤维素分子链内的长度方向。微纤丝链状分子上的碳、氧原子只能在原子核范围内活动，其本身轴向不发生收缩。由于正常木材细胞次生壁中层微纤丝排列方向与主轴不完全平行，而成,1030o,的夹角，横纹收缩时在轴向会产生微小的分量（,0.1-0.3%,）。因此轴向收缩很小，横向干缩大于纵向。,4.2.2.2,径向与弦向干缩差异的原因,（,1,）早材与晚材的影响,（,2,）径向木射线的抑制作用,（,3,）细胞径向壁与弦向壁中木素含量的差异的影响,（,4,）木材各种细胞干燥过程本身不均匀收缩,（,5,）径壁、弦壁纹孔数量及其周围纤丝角度变大的影响,4.2.3,木材干缩的评价指标与测定方法,4.2.3.1,木材干缩性的评价指标,木材的干缩和湿胀的程度在三个不同方向上不一样，木材的干缩性质常用干缩率、干缩系数和差异干缩来表达。,（,1,）气干干缩率 从生材或湿材在无外力状态下自由干缩到气干状态，其尺寸和体积的变化百分比称为木材的气干干缩率，可按下式分别计算径向、弦向和体积气干干缩率。,W,=(L max L w)100%/L max,vW,=(V max V w)100%/V max,（,2,）全干干缩率,木材从湿材状态干缩到全干状态下，其尺寸和体积的变化百分比称为木材的全干干缩率。,（,3,）干缩系数,干缩系数是指吸着水每变化时木材的干缩率变化值，用,K,来表式。,弦向、径向、纵向和体积干缩系数分别记为,K,T,、,K,R,、,K,L,和,K,V,。,K,T,、,R,、,L,W,(W,1,W,2,),K,V,（,V,w,-V,o,）,100%/Vo W,（,4,）差异干缩,木材弦向干缩与径向干缩的比值称为差异干缩。,4.2.3.2,木材干缩的测定,（,1,）试样要求：,用饱和水分的湿材制作，尺寸为,202020mm,，标准的纵向、径向和弦向。,（,2,）方法与步骤,测定时，试样的含水率应高于纤维饱和点，否则应将试样浸泡于温度,202,的蒸馏水中，至尺寸稳定后再测定。,将测量后的试样进行气干，在气干过程中，用,23,个试样每隔,6h,试测一次弦向尺寸，至连续两次试测结果的差值不超过,0.02mm,时，即可认为达到气干。,将测定后的试样放至烘箱中，开始时保持温度,606,个小时；然后，升温至,1032,，使试样达到全干，并测出各试样全干时的重量和径、弦向尺寸。,4.2.4,木材干缩和湿胀对木材加工和使用的影响,4.2.4.1,变形,木材干燥后，因为各部分的不均匀干缩而使其形状改变，谓之变形。,（,1,）板方材横断面上的变形,生材或湿材干燥时，由于木材弦向干缩远大于径向干缩及二者干缩不一致的共同影响，促使原木解锯后的方材、板材、圆柱等的端面发生多种形变，,生材状况下原木横切面上各部位下锯后板材断面形状的变化,若为径切板,(,包含髓心,),其两端干缩甚大，中间干缩较小，结果变为纺锤状，图,4-12,中,1,。,若为径切板,(,不包含髓心,),干缩颇为均匀，其端面近似矩形，图,4-12,中,2,。,若板材表面与年轮成,45,角，干缩后两端收缩甚大，长方形变为不规则形状，图,4-12,中,3,。,原为正方形，年轮与上下两边平行，干缩后，因平行于年轮方向的干缩率较大，垂直于年轮的干缩率较小，变为矩形，图,4-12,中,4,。,木材端面与年轮成对角线，干缩后，正方形变为菱形，图,4-12,中,5,。,木材端面为圆形，干缩后，变为卵形或椭圆形，图,4-12,中,6,。,若为弦切板端面，干缩后，两侧向上翘起，图,4-12,中,7,。,（,2,）板方材长度方向上纵切面的变形,原木锯成板材后，如不合理干燥，会导致其长度方向（纵切面）上发生很大的变形，表现形式主要为弯曲，其形状与其在木材横切面上的位置有很大的关系,板材纵向上变形,4.2.4.2,开裂,木材因干燥的不均匀与各方干缩的差异，造成开裂，裂缝大多垂直于年轮而平行于木射线，此乃木材纵向分子与木射线相交之处的结合力弱所致。,木材各种开裂形式,4.2.4,减少木材干缩、湿胀的方法,4.2.4.1,高温干燥、降低木材吸湿性,高温干燥处理木材是目前减少木材干缩湿胀的主要方法，应用广泛。高温干燥主要是使木材干缩微纤丝之间的距离逐渐缩小，减少非晶区纤维素分子链状分子上游离羟基数目，形成新的氢键结合；同时，半纤维素降解物与木素分子上基团聚合封闭羟基，降低木材吸湿性。,4.2.4.2,利用径切板,木材径向干缩是弦向干缩的一半，利用径切板可比弦切板木材干缩少一半。,4.2.4.3,利用木芯板,将细木条用合成树脂胶粘成合木，这样不过分考虑木材的年轮方向，杂乱相胶，结果总是趋于径切板，很少为弦切板。此种方式已广泛用于地板、木芯板及木材工业生产。,4.2.4.4,机械抑制,机械抑制即利用胶合板，胶合板中将单板纵横交错用胶压合而成，这样就能以干缩极小的纵向，机械地抑制横纹干缩，将胀缩减小到最小。同时木材横纹方向强度小，顺纹方向木材强度高，可以弥补木材横纹方向强度小的特点，使材料趋于均匀一致。,4.2.4.5,表面涂饰油漆,利用涂料、油漆涂刷木材表面，减少木材与湿空气接触，阻碍水分的渗入，从而使纤维表面包裹起来，可以降低木材对大气湿度变化敏感性，延缓木材吸湿速度，减少胀缩。,4.2.4.6,充胀与改性,用聚已二醇、尿素、醋酸酐等低分子的聚合物注入木材，置换木材中水分，对本材起有效膨胀作用，使木材干缩极小。,4.3,木材的密度,4.3.1,木材物质比重与孔陷度,4.3.2,木材密度,4.3.3,木材密度的意义及影响木材密度的因素,4.3.1,木材物质比重与孔陷度,4.3.1.1,木材物质比重,木材物质比重为木材除去细胞腔等孔隙所占空间后实际木材物质的比重，亦即细胞壁的比重。,木材实际密度：把木材细胞壁内的那一部分空隙也除去。,4.3.1.2,木材的空隙度,木材空隙所占的体积称为木材的空隙度，它包括细腔、细胞间陷和微纤丝之间的空陷等。它分为体积空隙度和表面孔隙度两种。体积空隙度是指木材在绝干状态时其空隙体积占总体积的百分率，表面空隙度则是其横切面上空隙面积占总面积的百分率。一般木材空隙度是指体积空隙度。,4.3.1.3,木材物质比重的测定方法,木材物质比重测定时，必须用流体介质置换木材中的空陷，常用的置换流体介质是水、氦、苯等，三者测定所得数值并不相同，呈依次降低趋势。,4.3.2,木材密度,4.3.2.1,木材密度,单位体积内木材的重量称为木材密度，又称木材容积重或容重，单位为,g,cm3,，,kg,m3,。木材是一种多孔性物质，木材密度计算时，木材体积包含了其空陷的体积。木材的密度除极少数树种外，通常小于,1g,cm3,。木材密度与其物质比重是有着本质上的区别，二者不能混同。,4.3.2.2,木材密度种类及其测定方法,木材中水分含量的变化会引起重量和体积的变化，使木材密度值发生变化。根据木材在生产、加工过程中不同阶段的含水特点，木材密度分为以下四种，常用的是木材基本密度和气干密度。,（,1,）基本密度,全干材重量除以饱和水分时木材的体积为基本密度。,（,2,）生材密度,生材密度是生材重量除以生材的体积。,（,3,）气干密度,气干材重量除以气干材体积为气干密度。,（,4,）全干材密度,木材经人工干燥，使含水率为零时的木材密度，为全干材密度或绝干密度。,4.3.2.3,木材密度的测定,任一含水率状态下的木材，测出其重量和体积，就可计算出它的木材密度。由于木材重量易于测定，且比较准确，因此关健在于精确测定木材试样的体积。目前，木材密度的测定用以下四种方法。,（,1,）直接量测法,（,2,）水银测容器法,（,3,）排水法,（,4,）快速测定法,4.3.3,木材密度的意义及影响木材密度的因素,4.3.3.1,木材密度的意义,木材密度大小反映出木材细胞壁中物质含量的多少，是木材性质的一个重要指标。,4.3.3.2,影响木材密度变化的因素,（,1,）树种,（,2,）年轮宽度与晚材率,（,3,）树木体内不同的部位,（,4,）栽培环境,（,5,）含水率,4.4,木材的热学性质,木材的热学性质主要用比热、导热系数和导温系数等指标来表达。这些物理参数对指导木材人工干燥、木材防腐改性、木材软化、曲木生产工艺、人造板板坯加热预处理、胶合、纤维干燥、胶合板生产时原木解冻、木段蒸煮及单板的快速干燥等方面重要意义。,4.4,木材的热学性质,4.4.1,木材热容量与比热,4.4.2,木材的导热系数（导热系数）及其影响因素,4.4.3,木材的导温系数（热扩散率）,4.4.4,木材热膨胀,4.4.5,木材耐热性及热对木材性质和使用的影响,4.4.1,木材热容量与比热,某物质平均温度升高所需的热量称为该物质的热容量。通常用,Q/t,表示，单位为,J/K,，其中,Q,表示所需热量，,t,为温差。,4.4.2,木材的导热系数（导热系数）及其影响因素,4.4.2.1,木材的导热系数,木材被局部加热时，其加热部位的分子振动，能量增加。分子在振动碰撞过程中，将能量传递给邻近分子，这样顺次传递能量，将外加的热量向木材内部扩散，称为木材的热传导。,4.4.2.2,木材的导热系数影响木材导热系数的因素,（,1,）木材密度,木材导热系数随木材密度的增加而增大，二者近呈直线关系。,（,2,）木材含水率,木材中随着含水率的增加，部分空气被水分替代，因而木材的导热系数将增大。,（,3,）温度,导热系数与热力学温度成正比，导热系数随温度升高而增高。,（,4,）热流方向,木材顺纹方向的导热系数远较横纹大。,4.4.3,木材的导温系数（热扩散率）,导温系数又称为热扩散率，它表征材料在加热或冷却非稳定状态过程中，各点温度迅速趋于一致的能力。导温系数越大，材料中各点达到同一温度的速度就越快。,导温系数与导热系数一样，在一定程度上也受含水率、密度、温度和热流方向的影响。导温系数与温度的关系亦可看成是温度与导热系数、比热和密度三者关系的综合。即导温系数随温度升高而增大。,4.4.4,木材热膨胀,温度升高，木材也会产生热膨胀。但因木材中常含有一定的水分，加热引起木材温度升高，水分加速蒸发引起木材干缩而减小其尺寸，木材干缩数值较热膨胀大得多。所以在木材加工时多考虑干缩值，而少注意木材的热膨膨。,4.4.5,木材耐热性及热对木材性质和使用的影响,4.4.5.1,木材耐热性及不同温度段木材热分解,在加热情况下，不同温度段对木材性质与使用有很大的影响。,木材加热到,180,左右，就有一氧化碳,CO,（,27.88%,）、氢,H2,（,4.21%,）、甲烷,CH4,（,11.36%,）、乙烷,C2H6,（,3.09%,）和乙烯,C2H4,（,3.72%,）等可燃性气体释放出；,当继续加热使木材温度上升到,250,290,时，木材开始产生放热反应，分解出更多易燃性气体，气体能产生持续的火苗，但仍不是木材本身的燃烧。把产生这种火苗的燃烧状态叫无火苗着火，把这一温度称着火点温度。若将温度升到,350,450,时，木材能自动着火，把这一温度叫做发火点温度。,4.4.5.2,热对木材性质的影响,常温下，热对木材使用影响小。但如将木材长期处于,4060,下，木材材色会呈现暗褐色，木材强度逐渐降低，这些表明木材外部与内部的化学成分已有所改变。,蒸煮加热处理对木材塑性和强度有一定的影响，但如利用得当则可转化成有利因素。,100,温度下长期蒸煮加热处理木材，其重量会发生明显的损失，并且可导致木材弹性模量减小，力学强度下降，冲击韧性降低更多。原因在于木材长期受热后部分半纤维素分解而引起的，蒸煮加热引起半纤维素和纤维素分解的影响要比木材在空气中受热大，故木材力学强度下降的程度也大。,木材软化、木材密化化处理、曲木家具加工和木材干燥等生产上根据木材的这种特性，可采用适合的温度和较短时间内水煮或汽蒸处理木材，不仅可释放木材内部应力、减小木材变形与开裂，还降低木材的吸湿性和将木材变化的形状固定，以生产出满意的木制品。,4.5,木材的电学性质,木材气干状态下，其导电性是极小的，特别是绝干材可视为绝缘体，因此木材为交通、电力及其他行业上重要的绝缘材料之一。但如果木材中含有水分，特别是在纤维饱和点以下含水率,W,越高，木材导电性愈强。生材为电的导体，雨中树木被雷电击倒，原因在此。,木材电学性质包括直流电和交流电的导电性、电绝缘强度、介电常数、介电损耗等，这些特性理论与应用研究对发展木材学基础理论有重要意义，对木材加工生产线上木材含水率连续无损检测技术、木材高频电热技术、木材微波干燥技术的发展与应用具有实用价值。,4.5,木材的电学性质,4.5.1,木材的导电性,4.5.2,木材介电性质,4.5.1,木材的导电性,4.5.1.1,电阻率与电导率,导体的电阻与组成该导体的材料有关，即材料的本性。评价材料导电性好坏主要用电阻率或电导率来表示。物理学中，电阻等于材料二端的电压（,V,）除以流过该材料的电流（,I,），,R=V/I,电阻率,等于单位长度（,L,）单位截面积（,A,）的均匀导线上的电阻值，单位,m,。,=R A/L=V A/I L,电导率是电阻率的倒数，用,K,表示，单位,S,m,。,4.5.1.2,木材的导电机理,木材中因没有自由移动的电子，它的导电线表现出很弱的特性。木材导电中起作用的主要是移动的离子，这些离子来源于木材胞壁成分中的离子基，或木材无机成分中的某些物质。木材在直流电场中的极化是呈现电离现象的典型特性，说明在直流电场下木材中的离子移动在导电中起重要作用。,4.5.1.3,影响木材直流电导率的因素,（,1,）含水率,（,2,）温度,（,3,）纹理方向,（,4,）树种与木材密度,4.5.2,木材介电性质,在交流电低频区域，木材交流电性质与直流电性质呈现同样特性：全干状态木材电阻极高，为绝缘材料；木材电阻随含水率的增加显著地减小，当达到纤维饱和点以上时，电阻变化率很小。在低频区，欧姆定律对木材介质也成立，产生的焦耳热与直流情况相同。,木材的介电性质主要研究在射频范围内的介电常数和介电损耗等性质。木材工业中常利用高频交变电场进行木材的干燥、胶合和曲木加工和木材含水率的测定。为了减低木材导电性能，增强其绝缘性能，常用石蜡、亚麻仁油及合成树脂等注入木材。,4.5.2.1,介电常数,介电常数,是表明木材在交变电场下介质极化和储存电能能力的一个量。木材的介电常数是，在交变电场中，以木材为介质所得电容量,(,Cw,),和在相同条件下以真空为介质所得电容量（,C0,）之比值，用,表示。,4.5.2.2,影响介电常数的因素,（,1,）含水率,（,2,）密度,（,3,）纹理方向,（,4,）频率,4.5.2.3,利用介电常数测定木材含水率,交流介电式水分测定仪的基本原理是在一定频率下木材的介电常数和损耗角正切随木材含水率的不同而变化。这种水分测定仪所用的频率在射频范围内，如继续提高频率，使用波长,1,1,，,000mm,范围内的水分测定仪称微波水分测定仪。介电式水分测定仪，其含水率测定范围比电阻式大，理论上可测定全干至饱和水状态的任一含水率，但要能适应含水率很高，则制造上尚有一定难度,4.5.2.4,木材的介电损耗,（,1,）功率因数和损耗角正切 施加交流电压于以木材为介质的电容器极板上，施加的电压和电流间有一相位角,。它是总电流,IT,和电阻电流,IR,之间的夹角。功率因数就是该相位角的余弦，以,cos,表示。,（,2,）介电损耗率,(,损耗因数,),介电损耗率,，是与能量损失成正比的量，数值上等于介电常数与损耗角正切的乘积，,=,tg,为木材的介电常数。木材的介电损耗率,主要为,tg,所左右。木材作为介电材料时，希望介电损耗尽量小；当在高频加热和胶合木材时，希望介电损耗大，功率因数高，发热量大，使木材的加热和胶合效果好。,（,3,）高频电热干燥木材与高频胶合技术,木材置于高频电场中，在交变电流作用下，木材中的水分从原来不规则位置，到按电流和磁场方向作有规律得运动由于电流方向的迅速改变，水分子被迫随之转动，这种转动每秒可达,1000,万次以上，由于水分子急剧运动，相互摩擦产生热量，使水分汽化，从而提高了木材内部蒸汽压而向外蒸发，木材逐渐干燥。,高频电热应用在胶合上，可使胶合剂获得选择加热。湿胶和干木材的介电性不同，湿胶比干木材更易接受高频电能，使高频能量集中在胶合线上，胶合剂很快热聚合，一般只需几秒到几十秒时间，但这种胶合只适用于热固性树脂胶。,胶合时，木材含水率不高于,12,15,为宜，其中以,8%12%,为最好。木材密度不宜过大，如木材密度过大或含水率过高时，选择性加热效果差。因它们均能增加介电损耗，使木材吸收电场能量增大。此外，木材密度和水分增加，还能提高木材的热传导性从而降低胶缝的加热温度。,4.6,木材声学性质,4.6.1,声音的基本特性,4.6.2,木材的传声特性,4.6.3,木材的振动特性,4.6.4.,木材的声辐射性能和内摩擦衰减,4.6.5,木材对声的反射、吸收和透射,4.6.6,木材振动声学特性的应用,4.6.1,声音的基本特性,声音是传播中的能量，它的强度是通过垂直于传播方向上单位面积的功率，单位为,W,cm2,。,人耳对声音的感觉与它的频率有关，同样强度较低频率的声音比高频率的声音响度大。人耳平均可听到的最微弱的声音强度叫做听觉阈，在,1000Hz,时是,10-8 W,crn2,。,测量一个声音的强度级时，可将它的强度与这个听觉阈的强度进行比较。由于人耳能感觉到的声音强度范围很广，通常用对数强度级来反映。,4.6.2,木材的传声特性,木材传声特性的主要指标为声速,v,。木材是各向异性材料，木材传声特性具有明显的方向性和规律性。木材顺纹方向声音传播速度,v,明显大于横纹方向,v,(,如下表,),，二者关系如下，,v,/v,=(E,/E,)1/2,树种,平均密度,g/cm,3,顺纹动弹性模量,Gpa,横纹动弹性模量,Gpa,顺纹声速,m s,-1,横纹声速,m s,-1,v,/v,鱼鳞云杉,0.450,11.55,0.26,5298,783,6.7,红松,0.404,10.09,0.27,4919,818,6.0,木,0.637,12.66,1.23,4422,1368,3.2,水曲柳,0.585,12.43,1.61,4638,1642,2.8,椴木,0.414,12.21,0.61,5370,1360,3.9,六种国产木材动弹性模量与传声速度,树种,顺纹声速,径向声速,弦向声速,v,/,v,R,v,/,v,T,松树,冷杉,栎木,桦木,5030,4600,4175,3625,1450,1525,1665,1995,850,860,1400,1535,3.47,3.02,2.51,1.82,5.92,5.35,2.98,2.35,声在木材各个方向的传播速度,(,m/s,),4.6.3,木材的振动特性,当一定强度的周期机械力或声波作用于木材时，木材按照其固有频率发生振动，其连续振动的时间、振幅的大小取决于作用力的大小和振动频率。由于内部摩擦的能量衰减作用，木材这种振动的振幅不断地减小，直至振动能量全部衰减消失为止。这种振动为衰减的自由振动或阻尼自由振动。,木材振动的三种基本类型,a,为纵向振动,b1,为二端自由，在节点处支撑的横向振动,b2,为,端被固定另一端自由的横向振动,c,扭转振动,4.6.3.1,纵向振动,纵向振动是振动单元,(,质点,),的位移方向与由此位移产生的介质内应力方向相平行的振动,设木棒长度为,L,，密度为,，动弹性模量为,E,，则长度方向的声速,v,和基本共振频率,fr,，有下列关系：,v=(E/)1/2,，,fr,=v/2L=(E/)1/2/2 L,4.6.3.2,横向振动,横向振动是振动元素位移方向和引起的应力方向互相垂直的运动。横向振动包括弯曲运动。通常在木结构和乐器上使用的木材，在工作时主要是横向弯曲振动，如钢琴的音板,(,振动时以弯曲振动为主，但属于复杂的板振动,),与木横梁静态弯曲相对应的动态弯曲振动等，可以认为是横向振动。,4.6.3.3,扭转振动,扭转振动是振动元素的位移方向围绕试件长轴进行回转，如此往复周期性扭转的振动,4.6.4.,木材的声辐射性能和内摩擦衰减,4.6.4.1,木材内部声摩擦衰减,木材在受瞬时冲击力产生横向振动，或在受迫振动过程中突然中止外部激振力，那么，随着时间的变化，木材振动能量会逐渐减小、消失，而振幅会逐渐降低，直至处于静止状态。原因在于能量在振动过程中被消耗而衰减。,4.6.4.2,木材的声辐射性能,木材及其制品的声辐射能力，即向周围空气辐射声功率的大小，与传声速度成正比，与密度,成反比，用声辐射阻尼系数,R,来表示：,R=v/,=(E/3)1/2,4.6.4.3,木材的声阻抗,木材声阻抗,为木材密度与木材声速,的乘积，由下式表达：,=,v,=(E)1/2,4.6.5,木材对声的反射、吸收和透射,任何材料对入射到其表面上的空气声波，都能产生反射，吸收和透射三种作用声波作用在木材表面，一部分被反射回来，一部分被木材本身的震动吸收，还有一部分被透过。,4.6.5.1,木材对声的反射,木材的声阻抗比空气约高出,10,4,的数量级，入射的声能可大部分反射回来。木材是利用声反射造成最佳音质的室内材料。在要求声学质量的大厅，音乐厅和录音室等处所，其内壁大都用木材和木质材料装饰以改善室内的音响条件。大厅中，声学条件可应用声学板来增强，如北京音乐厅，不仅内壁采用木材，并在大厅后方还悬吊一些木板，即声学板。,4.6.5.2,木材对声的吸收和透射,木材的吸音性能可用吸声系数表示，它是吸收入射能的百分率，亦即吸收和透射的能量之比值的百分率。,2cm,厚的冷杉板材，其平均吸声系数约为,0.1,，说明其木材有,90%,左右的入射声能被反射。,4.6.5.3,隔声,声隔离与声吸收是完全不同的问题，声隔离要求实密质重的材料。材料的声隔离性能可用透射的声强度损失分贝数,(D),来表示。单层壁隔声效果不如二层或多层组成密封墙壁的隔声效果好。,透过单层壁的声透射损失，取决于两个因素：,（,1,）如要求单层壁中声压有较大降低，壁层就须重强。,（,2,）对频率高的声波隔离效果比对频率低的要好。这是由于惯性的作用，频率越高的声音在壁层中的声压变化越小，声隔离效果也就愈好。,4.6.6,木材振动声学特性的应用,4.6.6.1,合理选择乐器用木材,木材具有优良的声共振性和振动频谱特性，为乐器制造的主要材料。我国民族乐器琵琶、扬琴、月琴、阮、西洋乐器钢琴、提琴、木琴等，均采用木材制作音板,(,共鸣板,),或发音元件,(,如木琴,),，就是利用了木材的振动特性和良好的声学性能品质。电声乐器系统中，常利用木材的良好音质特性，制成各种类型特殊的音箱，以调整扬声器的声学性质，创造出优美动听的音响效果。,（,1,）振动效率的评价,振动效率要求音板应该能把从弦振动所获得的能量，大部分转变为声能辐射到空气中去，而损耗于音板材料内摩擦等因素的能量应尽量小，使发出的声音具有较大的音量和足够的持久性。因此，应选用声辐射品质常数较高、内摩擦损耗小的木材。,（,2,）音色的振动性能品质评价,音乐中音色与振动的频谱特性有关，要求频率轴上基频与各高次谐频的幅值分布以及在工作频率范围内的频谱连续。音板、共鸣箱等乐器要求来自弦的各种频率的振动应该很均匀地增强，并将其辐射出去，以保证在整个频域的均匀性。金属材料谐振峰呈现尖锐的离散频谱特性，木材（如云杉）频谱特性及其各高次谐频位置的谐振峰形都比较平缓，呈现出连续谱特性。,（,3,）发音效果稳定性的评价,木材音板的发音效果稳定性主要取决于木材抗吸湿能力和尺寸稳定性。由于空气湿度变化会引起木材含水率的变化，从而引起木材声学性质参数的改变，而导致乐器发音效果不稳定。如果音板含水率过度增高，动弹性模量下降、损耗角正切增大以及尺寸变化产生的内应力等原因导致乐器音量降低，音色也受到严重影响。因此制作音板的木材应进行改性处理，增大其抗吸湿性和尺寸稳定性。,4.6.6.2,木材共振与无损检测,木材生产及利用上，木材的声音是鉴别木材健全与否的依据，人们常以斧背敲击木材，如为健全木材，发音铿锵，如木材腐朽中空，则发嘶哑声，这是利用声音定性检验木材质量有效快速的方法。,（,1,）振动法,(,共振法,),振动法,(,共振法,),检测是基于木材共振频率与弹性模量具有数学关系的原理进行的。,（,2,）,FFT,分析,FFT,分析无损检测运用了,FFT(,快速傅里叶变换,),分析仪和电子计算机，拾取受敲击后木材试件的振动信号进行瞬态频谱分析，求出共振的基频和各次谐频,(,取前,5,次,),；应用,Timoshonko,理论，用电子计算机算出试件的弹性模量,E,和刚性模量,G,。,（,3,）超声波方法,超声弹性模量与木材的静力学弹性模量、强度之间均为紧密的正相关关系。根据木材力学强度与弹性模量具有相关性的特点，通过实验测定和数据分析，确定超声弹性模量,Eu,与各种力学强度之间的相关方程表达式，可计算出木材的静力学弹性模量与强度，从而实现无损检测。,（,4,）冲击应力波检测,冲击应力波检测是基于纵波,(,或表面波,),振