3.2 蜂窝多孔结构
——木材

木材是最古老和使用最广泛的结构材料之一，木材总产量中大约有20%用于结构上，如横梁、托梁、支撑载荷的面板。基于此，模量、抗压强度和韧性成为设计师最感兴趣的木材性能参数。这些特性在不同品种的木材之间差别很大，例如橡木强度、刚度和韧性是轻木的10倍以上。木材是各向异性材料，对于某些木材，当加载时，沿着木材纹路方向的刚度比横向的刚度高出50倍以上 ^[1] 。因此，木材的构造对木材性质起着决定性的作用，在探究木材构造时需要分别从宏/微观两方面来解释。木材的微结构特征和力学性能主要取决于胞状结构的性质，即细胞壁的性质、胞状结构的相对密度和形状等，其他因素例如温度和水分含量等也起到一些辅助作用。

为更好地理解木材所具备的微结构特征，首先需在离树干中心足够远的位置切断木材样品，此时生长环曲率可忽略不计，从而得到具有正交各向异性的木材试样。该木材试样具有三个对称正交平面：径向平面、切向平面和轴向平面，如图3-2所示。刚度和强度在轴向上最大，即平行于树干方向。在径向和切向方向上，根据物种的不同，其刚度和强度为轴向刚度和强度的1/20到1/2范围内。

这些差异都与木材的微结构特征有关，其主要反映在木材细胞壁结构上，即微观构造。在毫米尺度上，木材是一种微结构固体：细胞壁通常具有六角形棱柱形状，包围着孔隙空间 ^[2] ，可用以下三个特征表征其微观结构 ^[3] ：①组成大部分木材结构高度伸长的细胞。对于软木，其称作管胞；对于硬木，其称作纤维；②射线结构：由较小的长方形薄壁细胞的径向阵列组成；③树液通道：具有薄壁和大孔隙空间的扩大细胞，液体通过它导向树上。

当然，软木和硬木之间存在结构差异。软木中的射线结构很窄，仅在轴向上延伸几个单元，而硬木的射线结构较宽并且在轴向上延伸数百个单元。在软木中，树液通道占木材体积的3%以下，而在硬木中，它们占比可达55%。软木中的生长环由厚壁和薄壁管胞的交替周向带组成，而环形多孔硬木中的生长环由大直径和小直径树液通道带组成。弥漫多孔硬木具有均匀分布且大小相同的树液通道，它们在微观尺度上不具有任何特征性生长环。所有上述特征如图3-3所示，其分别显示了代表软木的雪松和代表硬木的橡木两种结构的横纵断面 ^[4] 。木材中细胞的体积分数和尺寸见表3-1。

微米尺度下，木材是纤维增强复合材料。细胞壁由包埋在无定形半纤维素和木质素基质中的大量结晶纤维组成。纤维素纤维在细胞壁中的排列虽然很复杂，却具有特殊意义，这是由于它解释了木材各向异性的一部分成因，即平行木材纹路方向和横向性质的差异。将细胞壁视为螺旋缠绕，纤维方向近似与细胞轴平行。这虽然对结构有所简化，但是对理解各向异性有一定的意义，即细胞壁的轴向模量和强度比横向的大三倍左右。但这仅仅解释了木材各向异性的一部分原因，其他原因与细胞形状有关：细长细胞在沿着细胞长轴加载时比横向加载时刚度、强度更高。

虽然木材在密度和力学性能方面差异很大，但其具有微结构特征的细胞壁性质大体一样。轻木和山毛榉的细胞壁密度都接近1500kg/m ³ ，模量和强度值却有较大差异。定义相对密度 ρ ^* /ρ 为木材的密度与细胞壁材料密度之比，对于轻木而言，其值可低至0.05，对于木质素而言可高达0.80。

上述主要通过对木材的整体概述引出其各向异性的宏观性质以及具有微结构特征的木材细胞壁结构。在现实生活中，木材应用极其广泛，大到工程材料，小到垫片、瓶塞等。3.3节将主要针对木材中微结构特征更为独特的软木材料加以介绍。 WCQt71zHqkQy4RWJxiGvDOEGqBTMomTBC47yBVBuyS/mapIPtwxKGfI8Fsw3tzYT