基于纳米压痕技术的棉秆微观力学性能分析

罗树丽 弋晓康 张有强 周 岭

（塔里木大学机械电气化工程学院/新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

棉花是重要的国民经济作物，也是纺织行业的主要原材料。在棉花的发育、生长、成熟过程中，棉花秸秆（简称棉秆）对棉花的支撑、输导和信息传递起着非常重要的作用［1-2］。另外，待棉花成熟后，棉秆已是一种木质化程度很高、韧皮纤维极丰富的硬质秸秆，具有容重、热值高等优点的生物质材料，为新能源、建筑材料、制板造纸等领域提供热源或原材料。

就其结构而言，棉秆是一种多尺度、多孔、阶梯状且具有特殊分子力学现象的生物质材料。在宏观上，棉秆是由细胞通过胞间层黏结而成具有高度各向异性的天然材料。在微观上，棉秆细胞壁是以木质素为基，纤维素、半纤维素等高分子材料聚合而成［3-4］。棉秆的体表形态、内部微观结构与其宏观力学性能有密切关系，体表形态的不同是由于外部环境及生长发育过程中内部的生长差异引起的，分析内部微观结构特征有助于建立微观尺度到宏观尺度的桥梁。

纳米压痕技术在金属材料、生物材料的微观力学性能表征中已广泛应用［5-7］。上世纪90年代，纳米压痕技术首次应用于木材，为木材微观力学研究开辟新方法［8］。此后，该技术逐渐被应用到生物质材料领域，余雁等［9-10］基于纳米压痕技术分析了木材细胞层的硬度和弹性模量；Gindl等［11-12］应用纳米压痕技术对针叶材管胞细胞壁力学性能进行表征；韩志武等［13］对铁力木年轮层间的微观力学性能进行了研究。

在以往的实验研究中，对棉秆的宏观力学性能已进行了大量研究［14-16］。但是对棉秆的微观力学性能关注不够，特别是棉秆细胞壁水平的力学性能鲜有研究。为此，本文以棉秆枝茎为研究对象，基于电子扫描电镜（SEM）和纳米压痕技术分析棉秆的微观结构特征和亚微米力学性能，探讨棉秆各层组织的纳米压痕硬度和弹性模量变化，其研究结果为棉秆生产、加工机械关键部件的强度设计、材料选择及热处理提供理论基础。

1 原理

纳米压痕的测试结果通过载荷与压入深度的曲线计算得出，载荷与压入深度的曲线包括加载和卸载曲线。加载曲线承载硬度信息，卸载曲线包含了弹性模量的信息。图1（a）为典型的纳米压痕加载和卸载过程曲线。根据硬度定义可知，硬度计算采用下式表示。

式中，H为微观硬度（GPa），P是压痕曲线的最大载荷（μN），A为最大载荷作用下接触表面的投影面积。

目前纳米压痕测试方法使用最广泛的是Oliver-Pharr方法，该方法是1992年由Oliver和Pharr在Loubet［17］和 Nix［18］等工作基础上提出。

图1（b）为典型的纳米压头在加载和卸载过程压痕剖面示意图。在图1（b）中，h为压痕深度，hc为压痕接触深度，a为接触半径，hf为残余深度。

根据Oliver-Pharr方法，纳米压头的接触深度与总的压痕深度关系为

式中，S为弹性接触刚度，ε为压头形状相关参数，一般对于球形或四面体形压头，ε=0.75。

图1 纳米压痕曲线

纳米压痕的接触面积A是接触深度hc的函数，可以采用经验公式A=f（hc）来表示，实际上接触面积一般表示为一个级数。

式中，Ci是与压头形状有关的标定常数，C0=24.65，C1=202.7，C2=0.033 63，C3=0.931 8，C4=0.028 27，C5=0.037 16，C6=1.76 3，C7=0.041 02，C8=1.881。

式（2）中，S为弹性接触刚度，即卸载曲线端部的斜率，如图1（a）示意所示。

一般通过曲线拟合求出，但是拟合整条卸载曲线得到的斜率误差较大，通常对卸载曲线顶部25%～50%的区间拟合。

根据弹性接触理论，复合弹性模量可定义为

式中，β是与压头形状有关的常数，对于布氏压头β=1.034，维氏压头β=1.012，圆柱压头β=1.0。被测样品的弹性模量为

式中，E和Ei分别为被测样品和压头的弹性模量；v和vi分别为被测样品和压头的泊松比。一般而言弹性模量对泊松比不敏感，对于绝大多数材料泊松比为0.25左右，高分子材料为0.3左右。

2 实验材料与方法

实验测试所用的棉秆产地为新疆生产建设兵团第一师十二团，品种为新陆中37号。待棉花机械采收后获取棉秆（11月15日至25日），选择枝茎秆顺直、无病虫害、无缺陷及直径为3～4 mm之间。首先，利用锋利刀片将棉秆枝茎样品切成5 mm长圆柱段，采用环氧树脂无包埋冷镶样后，然后用抛光机（Tegramin,Struers,丹麦）对横切面进行仔细抛光，依次采用砂纸（SiC，FEPA P#4000，Struers）和 MD-Mol APS抛光布，转速120 rpm。经横切面抛光磨平后在50℃的干燥箱保温烘干24小时，制备的棉秆枝茎阶梯组织界面清晰、表面平整，样品如图2（a）所示。

实验所采用纳米压痕仪是瑞士CSM仪器公司生产，该纳米压痕仪载荷范围为0.1～1000 mN，可用于分析有机物与无机物材料的纳米硬度。表面形貌采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜进行观测与表征。

将抛光后试样固定到纳米压痕仪的试样台上进行测试。采用金刚石布氏四面体形压头，载荷加载方式为线性加载，最大载荷为10 mN，加载速率为20 mN/min，卸载速率为20 mN/min，设置棉秆泊松比为0.3。实验温度25℃，湿度26.7%。

为了便于计算各部分的相对体积，理想的棉秆枝茎横切面示意图如2（b）所示，字母A表示皮部，B表示木质部，C表示髓部。棉秆枝茎为阶梯多尺度天然生物质材料，硬度分布沿横切面半径从外向里逐渐降低。为了准确描述棉秆枝茎的硬度分布，分别对皮部和木质部进行纳米硬度测试。

图2 棉秆枝茎横切面

3 结果与分析

3.1 微观结构表征

通过显微镜对直径为3.2 mm棉秆枝茎的横切面微观结构进行观察分析。可以看出构成棉秆枝茎的皮部、木质部和髓部边界清晰可见。皮部的最外表层呈破裂不完整状态，含色素颜色较深。周皮由木栓细胞构成，周皮内侧受挤压细胞形状极不规则，多呈中空腔扁平束状纤维、细胞壁较厚，如图3（a）所示。

木质部由管孔状的导管、管胞和木纤维组成，细胞腔大，细胞之间的空隙数量较多，这些空隙主要是蓄积水分以及为水分输送提供途径。靠近皮部管孔密而小，连接髓部的管孔较大、且疏松，中间形成过渡。另外，在木质部区域存在径向排列分布的木射线，如图3（b）所示。

髓部都是较大的薄壁细胞组成，截面呈正六边形结构，外接圆直径约60 μm，细胞排列疏松、有明显的胞间隙，塑性较大，如图3（c）所示。薄壁细胞呈现为竹节状中空结构，竹节层分布微米级细小孔洞，如图3（d）所示。

此外，从径向尺寸来看，皮部很薄大约只有0.2 mm厚，木质部约0.5 mm厚。皮部、木质部和髓部体积比大致比例为23∶45∶32。表明棉秆的重量主要集中在皮部和木质部，超过30%髓部属于低密度高体积的中空结构。

3.2 硬度与弹性模量表征

图4（a）和图5（a）分别为棉秆枝茎皮部和木质部横切面纳米压痕形貌，图4（b）和图5（b）对应的加卸载曲线。从加卸载曲线可以看出，皮部压痕曲线的较为集中，而木质部的压痕曲线较为离散。主要是因为木质部存在于皮部和髓部中间的过渡区域，起着“承前启后”的作用，导致木质部细胞壁靠近皮部的强度高，贴近髓部的塑性好。所以相比于皮部在微观力学信息，在压痕曲线上表现为比较离散。另外，从加卸载曲线也表明木质部的残余压痕深度明显大于皮部。

针对残余压痕而言，与木质部相比皮部残余压痕清晰可见（图4（a）中红色线条区域），木质部残余压痕模糊不清。这表明皮部的压痕过程主要以塑性变形为主，弹性恢复较小，而木质部弹性恢复能力明显高于皮部。表1给出了棉秆枝茎皮部和木质部的弹性模量和硬度分布，从平均值来看皮部的弹性模量是木质部2倍以上，硬度则小于2倍。此外，例如木材（杉木、竹材）皮部弹性模量大约20～25 GPa，硬度0.4～0.6 GPa［9-10］。通过比较发现，棉秆皮部弹性模量与木材基本相同，但硬度低于木材，可见棉秆韧性较强。

此外，由于棉秆枝茎的髓部多为孔洞状结构，并且细胞壁很薄。因此未能采用纳米压痕仪测试到髓部的弹性模量及硬度。

图3 棉秆枝茎横切面微观形貌

图4 皮部纳米压痕

图5 木质部纳米压痕

表1 棉秆弹性模量与硬度

4 结论

（1）棉秆内部微观结构与宏观力学性能有密切关系，测试和表征内部微观力学特征有助于建立微观尺度到宏观尺度的桥梁。

（2）展现了棉秆枝茎的横切面微观阶梯状结构特征，皮部、木质部和髓部体积比大致比例为23:45:32，表明棉秆枝茎的主体是木质部。

（3）基于纳米压痕技术表征了棉秆皮部和木质部的微观力学性能，结果表明皮部的弹性模量是木质部2倍以上，纳米硬度小于2倍。该研究结果为棉秆粉碎机械、收获机械及采棉机关键部件的设计及磨损提供理论基础。