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林业工程学报，（）：收稿日期：修回日期：基金项目：江苏省科技支撑项目（）。作者简介：王鹏宇，男，研究方向为板材抗弯性能。通信作者：蔡家斌，男，教授。：结构细木工饰面板抗翘曲变形性能王鹏宇，程帅，蔡家斌，彭钦泊，杨光耀，（南京林业大学材料科学与工程学院，南京；石家庄华杰木业有限公司，石家庄；河北省人造板技术创新中心，石家庄）摘 要：细木工板作为室内装修和高档家具定制的基础材料，要求其具有美观的外表，同时还要求其具有较强的抗变形性能。为了提高细木工板抗变形的能力，根据复合材料 结构设计理论，将竹条（板）按照不同的排列顺序嵌入细木工板芯板内，设计了、种 结构细木工板，种 结构中横向竹条的间距分别为，。测量无约束自然状态下整幅面板材上的弯曲变形和应变，结果显示：种 结构板整体的平均变形量与对照板相比，左、右边缘及中心线处的纵向弯曲拱高分别降低了，和，左、右对角线处分别降低了 和；横向自上到下 点弯曲拱高分别降低了，。板材横、纵两个方向仍存在弯曲应变，同一板材不同测量部位的最大应变位于板材上端，结构板的整体应变最小，测量结果与人工测量结果吻合。力学测量结果显示：抗弯试件的破坏载荷、静曲强度、弹性模量、抗弯刚度试验值与理论值均有所提高。因此，结构板材抗翘曲变形能力也得到有效增强，其中，结构板抗变形性能在 种 结构板材中最佳。关键词：细木工饰面板；结构；竹条；弯曲拱高；力学性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），林 业 工 程 学 报第 卷 ，：；细木工饰面板是浸渍胶膜纸饰面板材，作为一种家居装饰材料，凭借其独有的实木感和良好的握钉性能而深受广大消费者的喜欢。随着市场对高度高、幅面大的产品需求越来越大，对细木工板的抗变形要求越来越高。其中，各类大尺寸定制高至墙顶的衣柜柜体平开门的弯曲变形问题最突出，无论门高度如何，只要翘曲变形量超过一定范围就会出现影响产品美观的问题。企业常用的方法是在平开门背面增加拉直器，但如果使用不当，就会导致门板开裂或反向变形问题。平开门只有铰链支撑，固定点位少，对于人造板而言厚度仅为，结构强度低、抗变形能力弱。为此，开展板材结构抗变形和力学性能等方面的相关理论与应用研究具有重要意义。结构是指在复合材料层合板中嵌入固化好的各种细棒，其中，代表垂直板面的轴线，的中文意思是“针”。在复合板材领域，结构也称 向增强，通过在板材内部加入高强度支撑材料，从而达到提高板材刚度和抗变形能力的目的。故运用 结构，设计并开展增强板材的抗弯刚度、提高板材抗变形能力的研究很有必要。目前，关于改变人造板内部结构，提高抗变形、增强刚度的理论研究较少，因此只能借鉴其他行业的相关研究。等采用十字格栅和矩形格栅的 向结构来增强泡沫夹芯板的抗弯刚度与抗变形能力。刘树亮等采用 结构来增强泡沫夹心板的抗弯刚度，通过试验发现：与传统泡沫夹心板相比，型泡沫夹芯板的抗弯刚度提高了。章向明等为了增强复合材料层合板的抗弯性能，在层合板芯层中嵌入加强筋单元形成 向增强结构，通过三点弯曲试验发现改变结构后层合板的抗弯刚度和抗变形能力均有所提高。郑莹莹等用半固化 复合材料作为泡沫夹层的 向增强棒，试验对比发现，采用 向增强棒增强后泡沫夹层板的抗弯刚度比普通泡沫夹层板有所提高，因此其抗变形能力也有所提高。张富宾等和周强等研究了横向腹板增强复合材料夹层梁抗弯性能，结果表明，横向腹板增强复合材料夹层梁的抗弯刚度相对于无腹板增强夹层梁提高，说明 结构能很好地提高复合材料的强度和抗变形能力。此外，还有学者从应变角度分析应变对翘曲变形的影响。李万兆等研究定向刨花板板面的应变分布情况，测量结果显示，定向刨花板的应变多集中于板材边缘处，且边缘处的应变明显大于试件中心处的应变，说明边缘处的变形也较大。等研究了蜂窝夹层结构板的静态应变，通过普通蜂窝板与蜂窝夹层板对比发现，蜂窝夹层板板面整体的应变小于普通板，说明通过夹层结构改变蜂窝板的内部结构可以提高蜂窝板抗变形的能力。综上可见，内部夹 结构的层合板类型很多，其力学性能和刚度能得到较好改善。笔者通过 向增强设计，在细木工板的芯板内嵌入不同排列方式的竹条，改变板芯的结构，增强芯层的刚度从而增强板材整体的抗弯强度，提高板材抵抗变形的能力，为解决细木工板及其他人造板大幅面产品变形问题提供理论依据。材料与方法 试验材料杨木芯细木工饰面板：尺寸为 （长）（宽）（厚），由石家庄华杰木业有限公司自制生产。芯板：由尺寸为 （长）（宽）（厚）的杨木多层胶合板锯切成尺寸为 （长）（宽）（厚）的小条，将小条拼接成 （长）（宽）（厚）的芯板待用。竹条：尺寸为 （长）（宽）（厚），购于福建省双羿竹木有限公司。双层杨木单板（厚度）和科技木皮（厚度 ），购于山东省临沂市兰山区博创木业有限公司，作细木工板的芯板覆贴用，其中，科技木皮覆贴在杨木单板上面。试验设备静态应变仪，型号 ，测点数，量程 ；应变片，型号 ，电阻值 （），灵敏系数（），栅长和栅宽分别为 和 ，分辨率 ，天津威恳德测控设备技术有限公司。力学试验机：型号，最大载荷 ，济南欧拓试验设备有限公司。第 期王鹏宇，等：结构细木工饰面板抗翘曲变形性能 试验方法 芯板的结构设计与制备由于细木工饰面板材幅面大、厚度薄，直立作大幅面板或平开门使用时极易产生弯曲和翘曲，为了减小高度和宽度方向的弯曲变形，在芯板内设计了 种嵌入竹条的结构方案：在 结构板距离左右端头 处开始等距嵌入 根竹条，竹条间距为 ，竹条在芯板上下位置（图）；在 结构板距离左右端头 处开始等距嵌入 根竹条，竹条间距为 ；在 结构板距离端头 处开始等距嵌入竹条，竹条间距为。、板中嵌入竹条结构设计图与 板类似。由此看出，、结构板中竹条的作用是增强板材端部刚度，结构竹条均匀分布于板芯长度范围内，作用是增加板材整体的刚度，通过对 种结构板的测试和数据分析，有利于优化细木工饰面板的 结构。图 结构板材设计图 弯曲拱高变形的测量对整张板材的弯曲变形进行测量可以反映出板材的实际变形量状态，也能够直接反映出细木工板产品作大幅面、高尺寸平开门产品的质量问题。细木工板完成生产后经 养生处理再进行弯曲拱高变形测量，测量从 年 月开始，测量环境为相对密封的室内环境，每 测量 次并记录，一共测量 次，记录每一次测试环境的温、湿度。考虑到细木工板柜体平开门只有一边用铰链固定，模仿平开门板应用场景，将 种结构细木工板下端支撑垂直放置，模仿平开门处于自然变形状态，测量自由垂直状态下纵、横向弯曲拱高。纵向测量：在板材的同一面左、中、右以及对角线部位用黑笔标记出弯曲变形的测量位置，以防每次测量位置出现偏差，测量变形时用细线贴近板材对应测量位置并拉直，用直尺量出细线与细木工板面的最大拱高，记录弯曲拱高变形量，每组样品板测量 块，计算平均值。横向测量：将板材在垂直高度进行 等分，分别对应板材的上端、上端 处、中部、下端 处、下端 个测量部位，测量方法与纵向测量方法一致。应变的测量在每一块垂直放置的板材上设计了 个测点，左右两侧各布置 个测点，从上到下测点依次分布在板材边缘，在板材垂直高度方向上进行 等分，依次对应板材左右两侧的上端、上端 处、中部、下端 处、下端 个测量部位，其中板材中部的测点布置在没有竹条的部位。每一个测点处贴横向应变片和纵向应变片各 个，横向与纵向应变片相互垂直，每 采集 次测点数据，测量过程中保证板材在相对密闭的环境中，避免外部环境对测量结果造成影响。抗弯性能测试与理论计算根据 人造板及饰面人造板理化性能试验方法，只需制作横向抗弯力学性能测试试件。为区分竹条嵌入部分与未嵌入部分的抗弯试件，以“”表示横向加竹条试件、“”表示横向未加竹条试件。试验前用游标卡尺测量试件宽度有效部位的尺寸 次，取其平均值为宽度有效部位的实际尺寸，精确度为 。每 组取 个试件，并计算每组数据的平均值。试件抗弯刚度理论计算方法是整体等效刚度为各部分抗弯刚度之和，刚度和惯性矩计算公式如下：（）（）式中：（）为整个截面的抗弯刚度；为上、下单板覆贴层惯性矩；为芯板层惯性矩；为竹条惯性矩；上、下单板弹性模量（）和芯层弹性模量（）参照 普通胶合板，取 、；竹条的弹性模量（）参考李超等的研究数据，取 。其中，横向不加竹条试件的 和 为。（）（）式中：为惯性矩；为平行轴惯性矩；为截面形心轴方向上的长度；为垂直于截面形心轴方向上的宽度；为平行轴与截面形心轴的距离；为平行轴截面面积。结果与分析 嵌入竹条对细木工饰面板弯曲变形量的影响、结构板以及对照板横向弯曲拱高变形量测定结果见表。通过表 中的数据得出，、种 结构板与对照板的横向弯曲拱高变形林 业 工 程 学 报第 卷量平均值分别是，和，各 结构样品板横向拱高变形量均小于对照板。其中，板的平均变形量最小，板和 板的平均变形量在 范围内波动。即不同板材同一测量高度部位的变形量关系是对照板 板 板 板，说明嵌入竹条对板材的变形有很好的抑制作用。种样品板材自上到下，上端变形量比下端变形量大，即同一板材不同测量部位间的变形量关系是上端中部下端。这是因为板材上端处于完全自由状态，反映了横向变形的真实状态，下端有自重和支撑点压制。其中，板上端的变形量最小，因为 结构板中竹条的间距最小，能够更有效地抑制板材的横向变形。从测量时间来看，随着测量时间的延长，各样品板材不同测量部位的变形量变化波动较小，由此说明在细木工板芯板内不同位置嵌入横向竹条能够抑制板材在横向的弯曲变形。表 、结构板以及对照板横向弯曲拱高变形量 ，测量时间 结构板 结构板 上端上端 处中间下端 处下端上端上端 处中间下端 处下端平均值测量时间 结构板 对照板 上端上端 处中间下端 处下端上端上端 处中间下端 处下端平均值 各样品板材纵向弯曲拱高变形量随时间的变化见表。由表 数据计算可得，、种 结构板和对照板在纵向的弯曲拱高变形量平均值分别是，和 。对照板在各部位的拱高变化呈现先增大后减小的趋势，其变形量也较、种结构板材大；、板各部位的变化在 周内整体上呈现比较平缓的变化趋势，说明一般的板材都需要进一步养生处理一段时间变形才会减少。各样品板材左右对角线的变化趋势与左右边缘的垂直弯曲变形相似，中间位置的垂直变形量小于左右边缘处，说明各板材的弯曲主要发生在左右两边。这是由板材角部变形大引起的，因为边角处受环境影响大，养生时散热快，导致变形更大。种样品板同一测量部位的变形量从大到小依次为对照板 板 板 板，说明在芯板上嵌入竹条可以一定程度上抵制板材的纵向变形。从变形量可以看出，板变形量最小且变化比较平缓，因为 板中竹条在板材上的间距是最小的，所以对于板材两端的纵向翘曲变形抑制效果比较明显。在试验后期，板材各部位弯曲拱高的变化趋于平缓。这是因为在静置一段时间后，板材内温度均匀，板材边缘部位发生吸湿，从而使得板材的弯曲拱高趋于平缓。通过对比横、纵 个方向上的弯曲变形发现：横向的变形趋势比较平缓；纵向弯曲拱高变形量明显大于横向。综合横、纵两方向测量部位看，变形主要发生在无支撑板材的上端角部位置与边缘部位，进一步说明板材上端边角部位存在翘曲的现象对高尺寸平开门、大幅面装饰板这类产品质量的影响非常大，也证实在芯板的横向嵌入竹条对控制板材的整体弯曲变形效果显著。第 期王鹏宇，等：结构细木工饰面板抗翘曲变形性能表 、结构板以及对照板纵向弯曲拱高变形量 ，测量时间 结构板 结构板 左对角线左边中间右边右对角线左对角线左边中间右边右对角线平均值测量时间 结构板 对照板 左对角线左边中间右边右对角线左对角线左边中间右边右对角线平均值 嵌入竹条对细木工板应变的影响正负应变反映板材内部应力变化的方向，应变大小反映板材微观变形大小。结构板各部位应变数据随时间的变化情况见图，整体上呈现先增大后趋于平缓的变化趋势。图 中，结构板经 测量后左侧纵向 个测点从上端到下端的应变方向呈现拉压拉压拉的变化。图 中右侧纵向 个测点从上端到下端的应变呈现拉拉压压压的变化，左右两侧的纵向应变方向不完全相同，说明板面两边缘的变形是不同的波浪形变化。图、中自上到下 个测点的横向应变左侧呈现拉拉拉压压的变化、右侧呈现拉拉压压压的变化，左右两侧的横向应变方向基本相同，反映出板面两边的变形基本呈对称状态。图 结构板各部位应变 根据图 中应变值的大小可以发现：总体应变量是上端上端 处中间下端 处下端；林 业 工 程 学 报第 卷板上端处于自由状态，应变最大；下端处于支撑状态，因此变形较小。这反映出在板材上端存在较大的角翘现象。试验中也发现 板、板以及对照板的应变变化趋势与 板相同，即板材上端横向与纵向的应变最大，说明板材上部边缘处存在较大的变形现象。各测试板应变从大到小依次为对照板 板 板 板，这与表、的分析结果一致。嵌入竹条对细木工板抗弯性能的影响力学性能测试试件的荷载位移曲线见图。从图 中可以看出：力学性能测试试件在试验机上的荷载位移关系随着荷载的逐渐增大成正比线性关系；当达到极限状态时，试件所承受的荷载突然降低，试件发生破坏，表现为脆性破坏。荷载位移曲线可以分为 个阶段：韧性阶段、弹性阶段和破坏阶段。在韧性阶段，位移直线上升且相对较平缓，达到弹性阶段后位移快速上升，在破坏阶段试件突然断裂。在相同荷载作用下，荷载位移曲线的斜率可以用来表征试件的抗弯刚度，图 中加竹条试件的曲线斜率大于未加竹条试件，说明嵌入竹条能够提高试件的抗弯刚度。竹条本身的韧性较强，嵌入竹条后提高了 增强结构型板材图 力学性能测试试件的荷载位移曲线 芯板整体的力学强度，解决了芯层力学强度不足的问题。因此，在细木工板芯板上嵌入竹条可以提高板材抗弯变形能力和抗弯力学性能。不同试件的受力破坏情况见图。由图 可见，试件中的竹条处于芯层上部，试件中的竹条处于芯层下部，可以很明显看出：试件下表层覆贴单板层发生破坏，芯层出现明显的裂缝；当竹条处于芯层上部时，下表层覆贴单板层发生破坏，芯层也出现较明显的裂缝；当竹条处于芯层下部时，下表层覆贴单板层发生断裂且芯层出现较明显裂缝。试件整体发生断裂。通过、试件破坏形态的对比发现：横向嵌入竹条在一定程度上提升了抵制外力破坏的能力，从而增强了板材的抗变形能力。图 不同试件的破坏形态 横向抗弯试件的力学指标见表，可以看出，加竹条试件的破坏载荷相比未加竹条试件提高了，静曲强度提高了，弹性模量提高了。通过抗弯刚度的试验值与理论值对比发现：试验值提高了，理论值提高了，试验值略高于理论值，但两者也较吻合。说明 结构细木工板力学试件的破坏载荷、静曲强度、弹性模量均提高了，从而增强了板材的力学性能，力学性能的提高使抗弯刚度的试验值和理论值都提高了，因此，细木工板抗翘曲变形的能力有所增强。表 横向抗弯试件的力学指标 试件破坏载荷 静曲强度 弹性模量 抗弯刚度试验值（）抗弯刚度理论计算值（）加竹条 未加竹条 结 论通过分析 种 结构细木工板的抗翘曲变形以及力学性能，得出以下结论：）通过对照板与 种 结构板的纵向弯曲变形和横向弯曲变形对比发现，对照板的整体变形要大于 种 型结构板，说明嵌入竹条有助于抑制细木工板的纵向和横向弯曲变形。）通过应变分析可知，板材存在纵、横方向的弯曲应变，使得板材边缘微观变形略呈波浪形，上端部位的变形最大，对照板的整体应变大于 种 型结构板，其中 板的整体应变最小，且与人 第 期王鹏宇，等：结构细木工饰面板抗翘曲变形性能工测量结果吻合。）型结构提高了板材芯层的刚度和强度，嵌入竹条从内部增强了细木工板材抵抗变形的能力，同时使得细木工板承受载荷的能力、静曲强度、弹性模量均有所增强，说明 结构应用于细木工饰面板提高抗变形能力是可行的。）综合人工测量的变形数据、应变数据和力学数据，结构 型细木工饰面板抗翘曲变形效果是最优的。参考文献（）：卢希珍，桂成胜，方露，等 浸渍胶膜纸饰面细木工板的制备及性能 林业工程学报，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：刘树亮，马玉璞，郭万涛，等 向增强泡沫夹芯结构的制备技术研究 材料开发与应用，（）：，（）：章向明，王安稳 复合材料大变形任意加筋板单元 工程力学，（）：，（）：郑莹莹，肖军 增强 泡沫夹层及其强化机制航空材料学报，（）：，（）：张富宾，刘伟庆，王慧，等 横向腹板增强复合材料夹层梁受弯性能试验研究 玻璃钢 复合材料，（）：，（）：周强，刘伟庆，方海 单向纤维腹板增强复合材料夹层结构的受弯性能试验研究 新型建筑材料，（）：，（）：李万兆，李东虎，陈超意，等 定向刨花板和细表面定向刨花板抗弯性能及应变分布比较 林业工程学报，（）：，（）：，（）：王仙美，王俊，李洋，等 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