竹木复合板的拉伸与弯曲力学特性

韩 健，周文捷，邹 越

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

竹木复合板的拉伸与弯曲力学特性

韩 健，周文捷，邹 越

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

竹木复合材料的拉伸和弯曲性能是其重要的力学特性，对其应用有十分重要的影响。通过动态电阻应变仪和电脑程控力学试验机对由竹席、竹帘和杨木单板组成的复合材料的拉伸和弯曲力学性能进行了研究。研究表明竹木复合板的纵向和横向拉伸应变与载荷之间具有显著的线性相关关系，泊松比和弹性模量与载荷之间呈非线性关系。随弯曲载荷增加，竹木复合板的弯曲应力、应变和变形均呈线性增加，但弯曲弹性模量呈非线性下降。泊松比、拉伸和弯曲弹性模量与载荷之间呈非线性关系，证明了该竹木复合板的弹塑性特征。

竹木复合板；拉伸特性；弯曲特性；泊松比

竹木复合材料兼有竹材与木材的许多优点，得到了人们越来越广泛的关注，对其相关特性的研究也越来越深入。张心安等人对竹材增强单板层积材弯曲性能的研究表明，竹/木复合材料的结构对产品性能有重要影响[1]。张齐生等人以毛竹和马尾松为原料制造的竹木复合集装箱底板可以取代阿必冬作为集装箱底板材料[2]。蒋身学以竹帘胶合板为强化面层，马尾松板材为芯层，制造的竹木复合层积材具有很高的强度[3]。川井等人用竹材作表层材料，生产的竹木复合板比同密度的木材具有更高的静曲强度和更好的尺寸稳定性[4-5]。Andy W. C. Lee等人对竹材增强南方松OSB力学性能的研究表明，竹木复合OSB的静曲强度和弹性模量均得到提高[6]。在研究复合材料的弯曲力学性能时，陈志良认为当构件在载荷作用下，构件截面上各点的应力可以用弹性理论或模型试验确定[7]。本研究将对由竹席、竹帘和杨木单板组成的复合材料的拉伸和弯曲力学性能进行研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

竹种：毛竹Phyllostachys pubescens，4年生，取自湖南益阳。竹席规格：长400 mm，宽400 mm，厚0.8～1.6 mm。竹帘规格：长400 mm，宽400 mm（竹篾宽20～30 mm，厚1.2～1.5 mm），竹席竹帘含水率在15%以下，木单板规格：长400 mm，宽400 mm，平均厚度2 mm。

胶黏剂为酚醛树脂，粘度250 mPa·s（25 ℃），固体含量48.2%，游离酚含量2.1%，可被溴化物含量12.7%。

仪器设备：YD-28A型动态电阻应变仪，BX120-5AA电阻应变计，MWD-50微机控制万能力学测试机，DY602×2/2型微机控制实验压机，2W/2WAJ型阿贝折射仪。

1.2 试验方法

将竹席、竹帘、木单板分别在气流干燥箱中干燥到含水率8%～10%，将酚醛树脂加水稀释为25%和30%两种固体含量的胶液。将竹席和竹帘分别浸入固体含量为30%和25%的酚醛树脂树脂胶液中，竹帘的浸渍时间为3～5 min，竹席的浸渍时间为10～15 min，浸渍后将竹帘、竹席取出，滴去表面多余的胶液。木单板采用双面涂胶，施胶量为300 g/m2。将浸胶后的竹席、竹帘和涂胶木单板在80～90 ℃的气流干燥箱中干燥至含水率10%～12%，竹席的上胶量为10%左右，竹帘的上胶量为7%左右。板坯结构如图1所示。

2 试验结果与分析

直交替铺放，板坯共十一层。组好的板坯送入热压机中进行热压，热压工艺为“冷-热-冷”工艺，热压曲线如图2所示。热压温度150 ℃，单位面积压力3.0 MPa，热压时间1 min/mm，共压制试验板材9张。在每张板材上分别制取拉伸和弯曲试件各3个，以3个试件的平均值作为该试验板材的检测结果，再以9张试验板材检测结果的平均值作为该竹木复合板的拉伸和弯曲力学性能指标，并对其进行分析评价。

图2 热压曲线Fig.2 Curve for hot pressing

图1 板坯结构Fig.1 Structure of plate blank

板坯上下2个表面为木单板，竹席位于木单板之下，接着是木单板与竹帘按纤维方向相互垂

2.1 拉伸载荷对产品拉伸应变的影响

拉伸载荷对竹木复合板纵向和横向应变的影响如图3所示。由图3可见，随拉伸载荷增加，竹木复合板的纵向和横向拉伸应变都呈线性增加，纵向应变为正值，横向应变为负值，表明竹木复合板在承受拉伸载荷时，纵向尺寸增大，横向尺寸缩小，且在相同载荷的情况下，横向应变的绝对值远小于纵向应变的绝对值，变形主要发生在竹木复合板的纵向。

图3 产品拉伸应变与载荷的关系Fig.3 Relationship between load and tensile strain of products

拉伸载荷与应变之间的关系可用如下数学模型表示。

式中：ξ1：纵向应变；ξ2：横向应变；x：拉伸载荷N。

拉伸载荷与纵、横向拉伸应变之间的相关系数R2均达到了0.99以上，表明拉伸载荷与产品的纵向和横向拉伸应变之间具有显著的线性相关性。因此可以用式（1）、式（2）描述当承受拉伸载荷时，竹木复合板的纵向和横向拉伸应变随拉伸载荷的变化规律。

2.2 拉伸载荷对产品泊松比和弹性模量的影响

拉伸载荷对产品泊松比和弹性模量的影响如图4、图5所示。由图4和图5可见，当竹木复合板承受拉伸载荷时，其泊松比和拉伸弹性模量均不为常数。随拉伸载荷增加，产品的泊松比呈非线性减小，在100～600 N的范围内，随载荷增加，泊松比迅速减小，而后比较平缓地减小。拉伸弹性模量则随拉伸载荷增加呈非线性增加，在100～1 000 N范围内增加迅速，在载荷增加到1 600 N之前，则呈平缓增加，而后略有下降。通过数值模拟，可建立在承受拉伸载荷时，竹木复合板的泊松比、拉伸弹性模量随载荷变化的数学模型如下：

图4 拉伸载荷与产品泊松比的关系Fig.4 Relationship between load and Poisson ratio of product

图5 拉伸载荷与产品弹性模量的关系Fig.5 Relationship between load and elasticity modulus of product

式中：μ：泊松比；En：拉伸弹性模量MPa；x：拉伸载荷N。

虽然拉伸载荷与纵向、横向应变呈线性关系，但与泊松比和弹性模量之间呈非线性关系。其原因在于竹材与木材均为弹塑性材料，因此由竹材与木材组成的竹木复合板也是弹塑性材料，在其承受外力作用时，既会产生弹性变形，也会产生塑性变形。

2.3 弯曲载荷对产品应力、应变的影响

在弯曲载荷作用下竹木复合板会发生一定程度的弯曲变形，这种变形导致了竹木复合板内部应力、应变的形成，图6、图7反映了在弯曲载荷作用下，竹木复合板内部应力、应变的变化规律。

图6 载荷与产品弯曲应力的关系Fig.6 Relationship between load and bending stress of product

图7 载荷与产品弯曲应变的关系Fig.7 Relationship between load and bending strain of product

由图6和图7可见，随弯曲载荷增加，竹木复合板的弯曲应力和应变均呈线性增加。弯曲应力、应变与载荷之间的关系可由以下的数学模型描述。

式中：σ为弯曲应力Mpa；ε为弯曲应变，x为弯曲载荷N。

2.4 弯曲载荷对产品变形和弹性模量的影响

竹木复合板在静弯曲载荷作用下，在其内部产生弯曲应力的同时，外部形状也发生了弯曲变形，弯曲弹性模量在不同载荷区间也具有不同的变化特点。由图8和图9可见，随弯曲载荷增加，竹木复合板的弯曲变形呈线性增加，弯曲弹性模量则呈非线性下降。弯曲变形和弯曲弹性模量与载荷之间的关系可由以下数学模型描述。

图8 载荷与产品弯曲变形的关系Fig.8 Relationship between load and bending deformation of product

图9 载荷与产品弯曲弹性模量的关系Fig.9 Relationship between load and bending elasticity modulus of product

式中：η：弯曲变形mm；Eb：弯曲弹性模量MPa；x：弯曲载荷N。

与承受拉伸载荷类似，由于竹木复合板的弹塑性特性，当其承受弯曲载荷时，虽然弯曲应力、应变与载荷之间均为线性关系，但其弯曲弹性模量与载荷之间呈非线性关系。

3 结 论

竹木复合板承受拉伸载荷时，随拉伸载荷增加，其纵向和横向拉伸应变呈线性增加，弹性模量呈非线性增加，泊松比则呈非线性下降。拉伸外力使竹木复合板的纵向应变远大于横向应变，载荷在1 000 N以内时，随载荷增加泊松比迅速减小，而后变化不大，弹性模量则在此外力范围内迅速增加，而后增加速度明显降低。竹木复合板在承受静弯曲载荷时，随载荷增加，其弯曲应力、应变和变形均呈线性增加，但弯曲弹性模量呈非线性下降。所研究的竹木复合板的泊松比和拉伸、弯曲弹性模量与载荷之间呈非线性关系，表明这种由竹材和木材组成的竹木复合板在受拉伸和弯曲外力作用时，除发生弹性变形外，还发生了塑性变形，并具有明显的各向异性特点，同时从研究结果也可看到在不同大小的外力作用时，这种竹木复合板具有不同的泊松比和弹性模量。

[1] 张心安,等. 竹材增强单板层积材的动态与静态弯曲性能[J].南京林业大学学报, 2006,30(1):69-71.

[2] 张齐生. 竹木复合集装箱底板的研究[J]. 林业科学, 1997,33(6): 546-554.

[3] 蒋身学. 竹木复合层积材结构及其性能[J]. 南京林业大学学报, 2002, 26 (6): 10-12.

[4] 泽田丰,川井秀一.以竹子为原料开发竹质人造板(2)[J].日本林学会研发要目,1995:39-202.

[5] 川井秀一.竹材层积高性能复合材料的开发研究[R].京都大学:京都大学科学研究成果报告书,1996.

[6] LCC A WC. Flcxural propctics of bamboo-reinforced southern pine OSB[J]. Forest products Joural 1997,47(6):74-78.

[7] 陈志良. 纤维复合材料构件的受力分析原理[J]. 四川大学学报, 2000,32(4):15-19.

Tensile and bending properties of bamboo/wood composite board

HAN Jian, ZHOU Wen-jie, ZOU Yue
(School of Material Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The tensile and bending properties of bamboo/wood composite board，having important effect on their use properties，are the important mechanical properties. The tensile and bending properties of the bamboo/wood composite board, which was composed of bamboo mat, bamboo curtain and poplar veneer, were studied by using resistance strain gauge and computer programmed mechanics tester. The results evinced that the noteworthy linear relationship existed between the lengthways or lateral tensile strain and the load，and the nonlinear relationship existed between the Poisson ratio and the elasticity modulus; the bending stress, strain and deformation all increased linearly，but the bending elasticity modulus decreased nonlinearly with the load increasing, which showed that this bamboo/wood composite board was a kind of elasticity-plasticity material.

bamboo/wood composite board; tensile property; bending property; Poisson ratio

S781.6

A

1673-923X(2014)10-0107-04

2013-10-12

科技部支撑计划项目（2008BADA9B0202）资助

韩 健（1954-），男，教授，博士，博士生导师，主要从事人造板工艺研究

[本文编校：文凤鸣]