第1章 绪论
木材作为一种天然高分子材料，具有多孔性、各向异性和非线性特点，其输导水分、养分的管胞、导管等组织结构通过胞间层连接构成，并平行树干生长方向呈轴向排列，构成了木材沿顺纹方向多孔结构形式；同时木材细胞和射线组织垂直于树干呈径向排列，造成宏观力学性能关于木材轴线呈柱面对称，在空间范围内呈现各向异性行为。由于木材具有取材方便、易加工、高比吸能、耐冲击、阻燃隔热等优良特性，目前已被广泛地应用于工业产品和民用建筑领域，如家居门窗桌椅、木地板、钢琴键、包装容器、轮船、房屋建筑、桥梁等都是木材在日常生活中的应用实例。木材在军事领域的应用可追溯到古代战场上的木质弓弩，随着武器发展，大部分枪支器械将木材作为枪托用材。同时木材还被运用于核电站和高杀伤武器的放射性材料包装运输中，在木材包装容器中作为冲击限制元件使用，意外冲击和高温环境中，利用变形吸能和阻燃隔热性能，对被保护产品起到削弱冲击峰值载荷、降低包装箱内部环境温升作用[1-3]。
压缩载荷作用下木材通常经历弹性段、平台段和压实段三个过程，在小变形载荷作用下木材可视为线弹性材料，但随着载荷的增加，木材胞壁发生屈曲，其力学行为表现为非线性[4，5]。木材细胞组织的基质性能和组织结构排列方式导致其具有宏观力学性能非线性特点，以及对应变率、温度和湿度等外界条件的强敏感性。目前针对木材宏细观力学性能和组织结构方面的研究主要根据其使用目的、服役环境条件提出，在工业产品和民用建筑领域，相关的研究工作主要集中在不同温湿度条件下木材准静态拉压模量、屈服强度、抗弯性能、耐久性等方面，通过实验研究获取材料的基本力学性能参数和环境适应能力；在放射性物质包装运输相关领域的研究则主要关注木材高应变率下的冲击力学性能、能量耗散特性和阻燃隔热能力，分析木材沿不同方向加载下的应变率敏感性和不可逆吸能率。
1.1 基本分类、胞元结构与材料方向
1.1.1 木材基本分类
树木是世界上*大的陆地植物种类，其种类繁多、品种庞大，我国常用的木材已有近800个商品材树种，不同地区树木形态特点也各不相同，通常可以按不同类型进行分类。从植物分类学专业知识来说，可以按照界、门、纲、目、科、属、种来进行划分。按照树木的生长类型分，可分为乔木类、灌木类、藤木类和匍匐类，乔木类树体高大(通常为6m至数十米)，具有明显的高大主干；灌木类树体矮小(通常在6m以下)，主干低矮；藤木类是能缠绕或攀附他物而向上生长的木本植物，如爬山虎；匍匐类树木的干、枝等均匍地生长，如铺地柏。按树叶形状可分为针叶树及阔叶树两种，针叶树生有球果及针状的叶子，阔叶树的叶子则宽阔而扁平。除此之外还可以按热量因子对树木进行分类，可分为热带树种、亚热带树种、温带树种和寒带、亚寒带树种。
在生产使用中通常按强度把木材分为软木和硬木两类，大部分针叶树木的材质一般较软，生产上通常称为软材，如云杉、冷杉等杉类木材；而阔叶树一般材质较硬重，又称硬材，如麻栎、青冈栎、木荷、枫香等。其中*具代表性的工作为Toennisson[1]对279种木材力学性能进行收集整理，并依据密度、弯曲强度、硬度、冲击抗力等指标进行了评级分类。
1.1.2 木材胞元结构
木材是由许多细胞组成的，细胞之间通过胞间质黏结在一起，树木细胞的形成与增大是由形成层分裂形成新的细胞，这些细胞主要由细胞核、核仁、原生质和细胞壁等组成。随着细胞的增大，原生质不再填充胞腔，而在胞腔内出现胞液，到细胞成熟时，其体积比新生细胞增大数倍或数百倍，原生质被增多的细胞液挤向胞腔周围，同时细胞核移向细胞壁的一侧，形成非常厚的细胞壁，此时细胞腔几乎形成空腔，因此木材细观结构特征造成了木材宏观力学性能各向异性特点。不同类树材具有不同微观结构特点，针叶树材胞元在横切面上呈整齐径向排列，木射线多为单列，轴向薄壁组织量少；阔叶林主要细胞在横切面上排列不整齐，木射线多为两列以上，轴向薄壁组织丰富。因此对木材细观胞元结构排列分布进行观察，有助于认识不同种类树材力学强度差异，理解木材宏观力学性能沿顺纹、横纹径向和横纹弦向方向呈现不同力学行为的内因。
1. 胞元横截面结构
随着对木材力学行为的深入研究，很多研究工作将木材宏观力学行为、破坏特征与细观结构进行结合分析，通过其细观结构和变形模式来对木材力学性能特征进行解释。扫描电镜是木材细观结构观察中常用的观测设备，扫描电镜观察到的轻木横截面细观结构如图1-1所示，可以看出轻木横截面结构呈蜂窝状，单胞元呈似正六边形。云杉木材横截面细观结构如图1-2所示，其胞元细观结构似多边形网络结构。基于木材横截面细观结构观察可以发现，在观测面内木材胞元分布相对比较均匀，沿不同方向胞元结构分布差异不大，此排列布局可以解释木材沿横纹径向和横纹弦向拉伸、压缩行为比较相似；在横向载荷压缩作用下，木材胞元被不断持续挤压，形成木材横纹径(弦)向压缩应力-应变曲线中较为平稳的应力平台区域的力学现象。
图1-1 轻木横截面细观结构[6]
图1-2 云杉木材横截面细观结构[7]
2. 胞元径(弦)截面结构
沿木材横纹径(弦)向将木材剖开，通过扫描电镜进行观察，可以看到不同种类木材在径(弦)向截面上细观结构均呈管状分布。采用扫描电镜观察获得的轻木径(弦)向截面细观结构如图1-3所示，胞元排列较为整齐，胞元管孔相对独立，与周围胞元不存在交错分布。作者课题组对云杉径截面进行了观察，结构如图1-4所示，可以看出云杉胞元分布与轻木相似，观测面表现为胞元管状并排，但针叶林类云杉木材胞壁上存在纹孔。从木材径(弦)向截面细观结构可以看出，在顺纹载荷作用下木材主要靠胞元管轴向承载，胞元在轴向作用下通常产生褶皱屈曲，导致应力-应变曲线由弹性线性上升突降至塑性宽平台；针叶林类木材管胞壁上存在较多纹孔，使其沿顺纹方向承载能力有所降低，其细观结构特征是造成针叶类树材强度相对偏低的原因之一，因此在树材分类中大部分针叶林树材被划归软木范畴。
图1-3 轻木径(弦)向截面细观结构[6]
图1-4 云杉径(弦)截面典型结构[8]
1.1.3 主要材料方向
木材属于正交各向异性材料，并具有圆轴对称性，因此在离髓心一定部位锯取一个相切于年轮的立方体试样，该试样有三个对称轴。平行于木材生长方向为顺纹方向(axial along the grain)；垂直于顺纹平面内并与年轮正交的方向为横纹径向(radial across to the grain)；垂直于顺纹平面内并与年轮相切的方向为横纹弦向(tangential across to the grain)，如图1-5所示。
图1-5 木材主要材料方向示意图
1.2 木材宏观力学性能实验研究
木材作为天然多胞各向异性复合材料，在小变形范围内采用正交各向异性弹性理论可描述其力学行为，但变形超过线弹性段后的行为尚未形成公认的本构理论体系，缺少合理的应力-应变和失效模型来描述冲击约束下木材的压缩行为，虽然关于木材初始压碎时期应力状态的理论、经验失效模型发展了很多年，但仍未提出相应的数学理论来描述木材线弹性段后期的应力-应变状态，对材料线性弹性段后的多轴应力相互作用机理则完全没有认识。在相关成熟理论尚未建立之前，对不同加载条件下的试件开展实验测试是充分认识力学性能的行之有效研究途径。近年来，研究者在传统材料实验测试方法的基础上，结合木材微观
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