黑黄檀木材物理和力学性质研究

田蜜, 董晓娜, 曾祥全, 陈飞飞

海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院), 海南 海口 571100

黑黄檀（Dalbergia fusca），又名版纳黑檀，属蝶形花科黄檀属乔木，近危种[1]，国家二级保护植物[2]，特有珍稀树种，在我国主要分布于云南西南部的西双版纳、普洱，越南、缅甸也有分布。其心材黑褐色、黑中带红，材质坚重致密，入水即沉，光滑油润，不翘不裂，心材的硬度极高，耐腐蚀，抗虫性强，耐久性好，木材纹理斜或交错，结构细，美观、耐磨，是制作高级家具、高级工艺品、高级乐器和高级室内装修的优质材料[3]。

作为珍贵红木树种，木材的基础材性对于其加工利用具有重要意义。但目前黑黄檀的研究主要集中在利用价值、种群保护、资源培育和引种适应性等方面[4]，关于黑黄檀木材材性的研究相对较少。通过测定黑黄檀木材的主要物理和力学性能指标，摸清其木材基础材性数据，为黑黄檀木材的合理开发和高效利用提供依据。

1 材料与方法

黑黄檀试材于2022 年5 月采自云南省西双版纳景洪市，为40 年生黑黄檀林，根据国家标准GB/T 1927-2009《木材物理力学试材采集方法》采集样木5 株，样木平均胸径17.2 cm，平均树高18 m，每株样木截取标准原木段作为试材，测定木材物理和力学性质。

按照国家标准GB/T 1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》制备试样。试样初步加工后，依据国家标准GB/T1932、1933、1 934.2、1935、1 936.1、1940、1941-2009《木材物理力学试验方法》，测定黑黄檀木材的各项物理力学性质。物理性质测定指标主要包括基本密度、气干密度、全干密度、干缩性、湿胀性；采用万能力学试验机测试木材顺纹抗压强度、抗弯强度、冲击韧性、硬度等力学性能指标。计算各指标的平均值、标准差和变异系数，将实测数据换算为12%含水率时的数值。各测试指标、试件规格与数量见表1。

表1 物理力学性能测试试样规格与数量Tab. 1 Specification and quantity of physical and mechanical properties tests samples

2 结果与分析

2.1 木材物理性质

2.1.1 木材密度

木材密度是木材的一项重要物理性质指标，可反映木材的抗压强度、抗弯强度等力学性能[5～6]。在含水率相同的条件下，密度越大，其硬度及强度也越大。经测定，黑黄檀木材的基本密度、气干密度、全干密度分别为0.742 g·cm-3、0.963 g·cm-3、0.933 g·cm-3，变异系数分别为3.50%、5.41%和5.36%，变异性较小（表2）。参照《木材的主要物理力学性质分级表》[7]，黑黄檀木材密度处于第5 级（气干密度≥0.951 g·cm-3），属于高密度木材。从密度来看，黑黄檀木材密度较大，切削时阻力也比较大。

表2 黑黄檀木材的物理性能Tab. 2 Physical properties of Dalbergia fusca wood samples

2.1.2 干缩湿胀性

干缩性直接影响木材及其木制品的尺寸、性状和结构的稳定性等[8]。木材的差异干缩是评价木材干缩性质的重要指标。木材干缩时，会沿着木材弦向、径向收缩，差异干缩越小，干缩均匀，木材抗开裂能力越强[9]。根据木材的干缩差异值，将木材分为5 个等级[7]，由表2 可以看出，黑黄檀的气干差异干缩为1.502，全干差异干缩为1.271，差异干缩均处于第2 级（1.21～1.60），差异干缩小，不容易引起开裂和变形。

木材干缩系数是评价木材干缩性质的另一个重要指标之一，由表2 测定结果可以看出，黑黄檀木材全干体积干缩率18.739%，气干体积干缩率为11.380%，干缩系数分别为0.625%、0.739%。根据分级表[7]，其体积干缩系数为5 级（＞0.601%），干缩系数甚高。干缩系数高，加工时要预留加工余量。

木材湿胀与干缩相反，是体现木材从干到湿的一个变化湿胀会使木材强度下降。由表2 可以看出，黑黄檀的弦向湿胀率较大，是径向湿胀率的1～1.2 倍，与干缩略有差异。

2.2 木材力学性质

木材力学性能作为木材合理利用的重要依据，可体现木材抵抗外力的能力。黑黄檀木木材试样的力学性能测试结果见表3。

表3 黑黄檀木材的力学性能Tab. 3 Mechanical properties of Dalbergia fusca wood samples

2.2.1 顺纹抗压强度

木材的顺纹抗压强度是木材各种力学强度试验中的基本指标，表示木材在顺纹受力状态下单位面积承受压力荷载的最大内力，是判断木材对弯曲适应性的重要依据[9～10]。经计算，黑黄檀木材的顺纹抗压强度为60.13 Mpa，属第4 级（60.1～75 Mpa）[7]，为高等级，高于我国阔叶散孔材类木材顺纹抗压强度平均值（46.7 MPa）。

2.2.2 抗弯强度

抗弯强度反映的是木材承受静力弯曲荷载的最大能力[6,10]。从表3 可以看出，黑黄檀木材的抗弯强度为126.4 Mpa，根据分级标准，属第4 级（120.1～145.0 Mpa）。说明黑黄檀木材刚性高，不易弯曲变形，承受横向载荷的能力高。

2.2.3 冲击韧性

冲击韧性是评价木材韧性或脆性的指标，表征木材内部的细微缺陷和抗冲击性能[11～12]。黑黄檀木材冲击韧性为80.82 KJ/m2，属于第2 级（25.1～85.0 KJ/m2），为中等。

2.2.4 硬度

木材硬度与密度成正相关，表示木材抵抗其他刚体压入的能力[6,10]。测试结果表明，黑黄檀木材的三个切面（端面、弦面和径面）的硬度分别为105.38 Mpa、85.12 Mpa、87.15 Mpa，硬度达V 级（＞100.1 Mpa），属于高硬度木材。其中端面硬度平均值最大，标准差和变异系数最小。黑黄檀木材耐磨性好且不易出现外观缺陷，是建筑材料、制作家具、地板等的优质用材。

2.3 木材品质分析

黑黄檀多用于制作红木家具、高级乐器、工艺品、室内装修等，衡量其木材品质的优劣并不仅需考量各项极限强度，还需具备良好的综合品质。

木材综合强度是木材用作承重构件等时的主要参考指标，为顺纹抗压强度和抗弯强度二者之和[13～15]。经计算，黑黄檀的木材综合强度为186.53 MPa，属强度很高等级（＞166.6 MPa）[15]。

木材的品质系数又称强重比，主要用于评价木材品质，为木材某项力学指标极限强度与基本密度的比值[13]。一般用顺纹抗压与抗弯强度比之和来区分木材品质系数的等级[14]。计算得出黑黄檀木材的综合品质系数为277.83 MPa（表4），属很高等级（＞215.6 MPa）[14]，为高等级材。

表4 木材品质系数Tab. 4 Wood quality coefficient

3 讨论

黑黄檀木材属于密度大、干缩性小的一类木材，其基本密度、气干密度和全干密度分别为0.742 g·cm-3、0.963 g·cm-3、0.933 g·cm-3，属高密度木材；体积全干、气干干缩率分别为18.739%、11.380%，对应的干缩系数分别为0.625%、0.739%，干缩系数大，达到5 级，木材加工余量需预留充足。黑黄檀木材的主要力学指标中，顺纹抗压和抗弯强度等级为高，冲击韧性等级为中等，硬度为V 级，材质坚硬；木材综合强度为186.53 Mpa，综合品质系数为277.83 Mpa，强度和强重比均达到高等级水平。这与邹寿青等[15]对黑黄檀木材性质的研究结论存在一定差别，各项指标值均低于其测定结果，但与王达明等[16]研究结果基本一致，这可能与试材年龄、取材地点及测试方法等影响有关，造成测定结果存在一定的差异性。总体来看，黑黄檀为木质硬重、韧性强、品质优良的珍贵硬材树种。

在木材利用方面，黑黄檀木材属红木中上品，是制作明清家具、高级乐器、工艺品及室内装饰等的优质材料，但由于黑黄檀生长缓慢，且缺乏加工工具和技术，一直未能很好地开发利用，要进一步开展黑黄檀木材机械加工性能等的测试，为其充分挖掘其高附加值潜力提供参考依据。