微波处理木材是微波热效应与非热效应共同利用而产生的结果^[1]，具有加热均匀、快速、适用性广等优点，因而发展十分迅速。初期阶段，微波处理在木材加工行业中主要应用于木材干燥环节^[2]。随着高能微波处理技术在木材改性领域的不断发展，现已广泛用于木材塑形^[3-4]、增渗^[5-6]与人工林木材的功能化利用等多个领域^[7-8]，在木材加工行业中发挥着重要的作用。

木材抗弯性能是反映木材综合性能的重要指标之一，决定了木材的适用范围与应用合理性。影响该性能的因素可总结并归纳为3类。（1）木材自身的特征差异。作为一种天然材料，木材种类、结构、密度、纹理方向与缺陷等均影响木材抗弯性能^[9-10]。（2）温度与湿度等环境因素作用。有研究^[11-12]结果表明：木材抗弯性能受温度和含水率变化的影响十分显著，与温度、含水率之间具有显著的负相关关系。（3）木材改性处理。为了提高木材利用价值所采取的物理^[13]、化学^[14]等不同改性处理对该性能产生显著影响。其中高能微波处理是在微波能量的作用下，木材内部水分迅速汽化，在短时间形成的较高内外蒸汽压力差的作用下，木材的薄壁细胞甚至厚壁细胞等组织结构发生不同程度的破坏^[5-6]，并且在温湿耦合效应的作用下，木材细胞壁中的化学组分产生降解^[15]，弯曲性能发生改变^[16]。

对于外力载荷作用下木材动态损伤特征的探究一直是木材物理力学中的研究热点。加载装置联合显微系统的原位观测法、数字散斑技术、声发射（acoustic emission, AE）信息采集等手段是目前用于实时监测木材动态损伤的主要方法。但此类研究多以无瑕试件作为研究对象，且受到试件尺寸等试验条件的限制，研究结果难以适用于高能微波处理材这类微观结构已被破坏的受力构件。AE信息采集具有较高灵敏度、全场测量等特点，可通过采集材料破坏时释放的弹性波，以实时获得加载全过程中的损伤信息^[17]。有学者运用参数分析法证明了AE应用于木材损伤监测的可行性，研究结果表明，木材微裂纹的萌发、扩展以及细胞壁层的破坏均与AE振铃计数、能量与幅度等特征参数的变化具有相关性^[18-20]，并可根据AE信号在木材中的衰减规律实现损伤源定位^[21]。

尽管研究学者已从设备、应用等多个角度对木材的微波处理进行了丰富研究，但尚未针对处理材本身性质与载荷损伤演化特征开展系统研究。为此，本研究在3个微波能量密度下对新西兰进口辐射松（Pinus radiata）木材进行高能微波处理，首先探究了高能微波处理对木材抗弯弹性模量、抗弯强度、弯曲塑性功的影响；然后对三点弯曲载荷损伤过程中的AE特征进行参数分析，以此建立弯曲载荷下高能微波处理材损伤演化与宏观力学之间的响应关系；最后结合试件破坏断面的形貌，分析高能微波处理材的结构损伤规律，以期为微波处理材的力学性能与应用研究提供理论依据。

1.   材料与方法

1.1   材　料

外购新西兰进口辐射松原木，树龄23年，长2 m，直径45 cm。锯截成尺寸为2 000 mm（纵向） × 200 mm（弦向） × 80 mm（径向）的弦切板，调整含水率至（60 ± 10）%后，用薄膜包裹后放置于−6 ℃的冷库中储存。取其中边材作为本次试验用材，并在微波处理前，于锯材端头锯下长约350 mm作为试验对照组材料。

1.2   方法与测试

1.2.1   高能微波处理工艺

如图1所示，利用实验室自建隧道式200 kW微波处理木材设备进行微波处理。木材的微波处理效果由微波作用于木材单位体积的能量（微波能量密度）所决定，受微波处理时间、微波处理功率等因素影响。微波能量密度的计算方法如式（1）所示。

图  1  实验室自建隧道式微波处理木材设备

Figure  1.  Self built tunnel microwave wood treatment equipment in the laboratory

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式中：M为微波能量密度，kW·h/m³；E为微波作用于木材的能量，kW·h；V为木材受微波辐照体积，m³；P为实际微波功率，kW；t为木材在微波腔时间，h；l_mw为微波腔长度，m；v为传输速度，m/h。

1.2.2   抗弯性能与弯曲塑性功

将1.1中的锯材加工成纹理通直、切面标准、尺寸为300 mm（纵向） × 20 mm（弦向） × 20 mm（径向）的试件，并放置于温度20 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱中，调整含水率至（12 ± 1）%。参照GB/T 1936.1—2009 《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2—2009 《木材抗弯弹性模量测定方法》进行抗弯性能测试，试验装置如图2a所示，试件抗弯力学测试在最大试验力为50 kN的WDW-50万能力学试验机上进行，沿试件弦向加载，速度为5 mm/min，力学实验机自带计算机程序采集载荷、位移等信息。在抗弯强度试验结束后按照GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》测量所有试件的含水率与绝干密度。

图  2  三点弯曲–声发射（AE）试验与断面形貌取样位置示意图

Figure  2.  Schematic illustration of three-point static bending and acoustic emission (AE) testing system and sampling position of cross-section topography

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采用无补偿法判定木材抗弯屈服点，以此划分弹性区域与塑性区域。为避免数据处理过程中人为判定而产生的误差，编写计算机程序对抗弯强度测试所得的载荷–位移曲线进行处理。弯曲塑性功的计算参考了Gaff等 ^[22]的使用方法：

式中：${W}_{\mathrm{P}}$为弯曲塑性功，mJ；${Y}_{\mathrm{P}}$为最大载荷位移，mm；${Y}_{\mathrm{E}}$为比例极限载荷位移，mm；$\hat{F}(Y)$为载荷，N；Y代表横坐标位移，mm。

1.2.3   损伤演化特征分析

（1）AE监测

如图2所示，AE监测试验由北京软岛时代科技DS5型双通道AE信号采集系统完成。两个R15α（频率范围50 ~ 200 kHz）传感器相距100 mm，通过高真空脂耦合剂对称粘附于压辊两侧，同时用绝缘胶带捆绑固定。为减少外部噪声影响，采集阈值设置为20 dB，前置放大器设置为40 dB，波形记录的采样频率设置为2.5 MHz。同时启动万能力学试验机和AE设备，直至试件失效后停止。选取能量、累计能量、振铃计数与幅度进行参数分析。

（2）断面形貌分析

力学试验结束后，将已破坏试件的弦切面放置于OLYMPUS SZX9体式显微镜下观察处理材与未处理材弯曲破坏的形态差异。如图2c所示，分别在破坏断面的受压侧、受拉侧以及中性层区域取尺寸为5 mm × 5 mm × 5 mm的小试件，利用KEYENCE公司的VHX-1000E超景深显微系统对破坏截面进行观察，并在适宜的放大倍数下拍照记录，分析高能微波处理材与未处理材在弯曲载荷下的破坏类型与差异。

2.   结果与分析

2.1   抗弯性能与弯曲塑性功

测得所有抗弯试件平均密度为0.47 g/cm³。为减小密度差异对试验结果的影响，每组试件中统一筛选出范围在0.45 ~ 0.50 g/cm³的试件，取其平均值进行比较。

高能微波处理材的抗弯弹性模量与抗弯强度如表1所示，处理材的抗弯弹性模量与抗弯强度均随微波能量密度的上升呈现先升高后下降的趋势，当微波能量密度为60 kW·h/m³时，处理材的抗弯弹性模量与抗弯强度分别为6 100与67.4 MPa，较未处理材提高了约10%，这可能是此高能微波处理工艺仅破坏了木材射线薄壁细胞与纹孔结构^[5-6]，减小了处理材试件在载荷作用下的应力集中，从而小幅提高了木材的抗弯力学性能。然而，随着微波能量密度的继续增加，处理材的抗弯弹性模量与抗弯强度逐渐下降。当微波能量密度进一步增加至100 kW·h/m³，与未处理材相比，处理材抗弯强度略有降低，抗弯弹性模量减小了9.2%，这与Torgovnikov等^[23]的研究结果具有相同的变化趋势。进一步增加的微波能量破坏了轴向管胞胞间层，降低了木材的力学强度。

表  1  高能微波处理材抗弯性能和弯曲塑性功

Table  1.  Modulus of elasticity, bending strength and bending plastic work of radiata pine underdifferent microwave treatment conditions

能量密度 Energy density/(kW·h·m−3)	试件数 Number of specimen	密度 Density/(g·cm−3)	抗弯弹性模量 Modulus of elasticity/MPa	抗弯强度 Bending strength/MPa	弯曲塑性功 Bending plastic work/mJ
未处理 Untreated	44	0.47 (3.0%)	5 520 (15.71%)	61.7 (10.35%)	9 074.23 (15.27%)
60	46	0.48 (3.6%)	6 100 (16.35%)	67.4 (16.32%)	10 161.80 (11.27%)
80	39	0.48 (4.0%)	5 650 (18.7%)	65.8 (12.58%)	11 059.07 (12.83%)
100	41	0.48 (4.3%)	5 010 (23.7%)	59.8 (14.6%)	10 530.44 (16.17%)
注: 括号内为变异系数。Note: data in brackets are variation coefficients.

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当载荷超过弹性极限后，木材进入塑性变形阶段，弯曲塑性功是此阶段过程中所吸收的能量，体现木材在弯曲应力下强度和韧性的综合性能。如表1所示，高能微波处理可显著提高木材弯曲塑性功，并且其增长率随着微波能量密度的提高呈现出先增加后降低的趋势。在微波能量密度低于80 kW·h/m³的范围内，适当提高木材高能微波处理过程中的微波能量密度有助于木材弯曲塑性功的提升。当微波能量密度为80 kW·h/m³时，其弯曲塑性功达到最高值11 059.07 mJ，相较于未处理材增加了22%。但随着微波能量密度的进一步提高，高能微波处理对木材造成结构破坏，不仅降低了木材载荷状态下的受力稳定性，导致了弯曲塑性功的降低，还增加了测试结果的离散程度。

2.2   AE特征分析

由于100 kW·h/m³的处理材出现了宏观破坏，试件破坏复杂，所以本部分选用未处理材、60 kW·h/m³处理材与80 kW·h/m³处理材进行AE监测下的三点弯曲测试。在本试验中每组试件呈现出类似的破坏规律，因而在3组内各选取一个试件的数据作为组内代表，分析三者加载过程中的损伤演化特征的差异。

图3为高能微波处理材和未处理材在三点弯曲载荷过程中的振铃计数、累计振铃计数与载荷随时间的变化情况。累计振铃计数可反映木材不可逆的应变能，通过参数分析法实现对木材损伤演化的监测^[24]。由图3a ~ 3c可知：在整个载荷过程中，3组试件的累计振铃计数均呈现出阶段性增长趋势—加载初期AE信号微弱，累计振铃计数经历了第一个平稳增长阶段进入活跃期，即在三点弯曲加载过程中伴随着木材内部细胞壁间与细胞壁内部微观损伤的积累。在弹性区间内，木材吸收大量能量的同时重新分布内部应力，此过程中，以射线薄壁细胞为代表的少数弱相结构首先发生破坏，从而产生少量的AE 信号^[25]。如图3d所示：未处理材在17.8 s首次出现AE信号，第一个平稳增长阶段持续近15.5 s。相较于未处理材，60 kW·h/m³处理材与80 kW·h/m³处理材的信号首现时间分别提前了7.55与11.49 s，首个稳定增长期的持续时间分别增加了1.4与5.8 s。由此表明，随着微波能量密度的提高，处理材试件首次出现AE信号时间逐渐提前，且首个平稳阶段的持续时间逐渐增长，这可能归因于高能微波处理对木材造成微观破坏，致使处理材试件更早发生损伤，内部应力平衡被多次打破，避免了载荷初期应力局部集中。当试件的载荷超过屈服强度点进入塑性区间后，由于木材细胞间与细胞壁层间缓慢的剪切过程，微裂纹的萌生与扩展进入稳定增长期，此时累计振铃计数呈现渐进式增加。在此阶段，高能微波处理材（图3b和3c）的AE振铃计数特征较未处理材（图3a）有着显著差异。3组试件的累计振铃计数增长率从大至小依次为80 kW·h/m³处理材、60 kW·h/m³处理材、未处理材，表明在塑性阶段未处理材内部微观损伤过程最为温和；而80 kW·h/m³处理材的振铃计数的波动最为明显，内部微观结构损伤程度高于未处理材。随着载荷的持续增加，试件进入塑性区间的后期断裂阶段，振铃计数激增表示试件中弹性波的释放进入活跃期，累计振铃计数曲线直线上升，表明微裂纹持续扩展合并形成宏观裂纹，导致试验材料最终被破坏^[26]。

图  3  不同微波能量密度处理的3组试件弯曲载荷–时间曲线与AE（累计）振铃计数

Figure  3.  Loading force-time curve and AE (cumulative) ringing counts during bending test of 3 groups of specimens treated with different microwave energy densities

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图4展示了高能微波处理材和未处理材在三点弯曲载荷过程中的AE幅度、能量与载荷随时间的变化情况。幅度、能量等特征参数情况反映了木材细胞壁屈曲和坍塌、细胞壁界面散裂、细胞壁断裂等木材微观结构损伤类型^[18,20,27]。如图4所示，幅度与能量的变化情况与振铃计数的发展趋势相一致。在弹性区间内，3组试件释放的能量微弱，其值均小于20 mV·ms，且幅度值均小于100 mV，说明在此阶段内3组试件内部均未发生裂隙扩展^[28]。随着弯曲载荷的增加，当进入塑性阶段后，3组试件的AE特征在分布方式上呈现出明显差异。未处理材的AE能量主要集中于断裂失效阶段（图4a），此时能量与幅度达到峰值，这可能是未处理材在载荷作用下由于应力相对集中而产生的失效破坏^[29]。60 kW·h/m³处理材在塑性阶段中期的AE幅度与能量显著增加，但AE主要在幅度小于50 mV，能量小于20 mV·ms的范围内（图4b）。相较于未处理材，其在三点弯曲塑性阶段不仅产生了更多的细胞壁屈曲与坍塌，而且其结构内部的裂纹扩展速率得到了提高^[30]。80 kW·h/m³处理材在塑性阶段中期的释放能量效率大幅增加，其能量以大于25 mV·ms为主，同时幅度分布更为均匀，在断裂失效阶段的能量分布密度相对减少，累计能量为23 724.5 mV·ms（图4c），相较于未处理材的19 491 mV·ms增加了21.7%，表明在弯曲载荷加载过程中的塑性阶段内80 kW·h/m³处理材的结构损伤分散得相对均匀，同时在塑性变形过程中其细胞壁结构产生了更多损伤，并且裂纹迅速扩展，由此避免了应力在试件内部的聚集，因而高能微波处理材的弯曲塑性功在一定程度上得以提高。

图  4  不同微波能量密度处理的3组试件弯曲载荷–时间曲线与AE幅度、能量

Figure  4.  Loading force-time curves and AE amplitude, energy during bending test of 3 groups ofspecimens under different microwave treatment conditions

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2.3   损伤结构特征

回顾整个加载过程，试件的破坏均始于受拉区最外侧，早材管胞首先产生Ⅰ型（张开型）断裂的横向裂纹扩展，接着在平行于管胞轴向的方向上产生Ⅱ型（剪切型）断裂的纵向裂纹扩展，最终在两种破坏方式的共同作用下产生如图5a所示的TL面锯齿状破坏，这与前人研究结果^[31]相一致。然而，3组试件之间也存在着明显差异。未处理组试件的断裂是没有预示的突然破坏，而随着微波处理能量密度的提高，处理材试件在弯曲载荷过程中的破坏逐渐激烈，此外由于微波处理对细胞壁结构所造成的提前破坏，致使在断裂面法向上产生更大的剪切力，更多的管胞发生纵向的剥离破坏，从而在宏观下形成更为粗糙的破坏断面（图5b）。

图  5  试件破坏形态与断面

Figure  5.  Failure pattern and section of specimens

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图6表示3组试件破坏后拉伸部位、中性层与压缩部位的断面形貌。从三维的断面形貌图中可以看出：受早晚材强度差异的影响，在受拉区域（图6a ~ 6c）的早材与晚材边界处存在明显的管胞间剥离，在加载过程中应力主要集中于晚材处，因而在早晚材边界处产生剪切应力。此外，随着微波处理能量密度的提高，这种现象愈发明显，其原因是高能微波处理不仅破坏了管胞间的胞间层，而且对木材早材管胞的破坏比晚材管胞更为严重^[32-33]，在弯曲载荷作用下，高能微波处理材的早材区域更早发生横向断裂，生长轮边界处集中了更大的剪切应力，裂隙沿着顺纹方向迅速扩展，最终晚材管胞发生相互剥离和断裂^[31]，从而形成更为粗糙的破坏断面。图6d ~ 6i所示的中性层与压缩部位的断裂形貌特征与拉伸区域相似。由于高能微波处理破坏了射线薄壁细胞^[5-6]，因此在剪切与压缩应力的作用下，损伤起始于靠近裂隙的部位，裂纹首先在已破坏的木射线损伤处沿着垂直于纹理的木材径向进行扩展，当裂纹延伸到早材管胞时，由于高能微波处理大幅降低了管胞强度^[23,33]，因而处理材的早材管胞更早产生横断，紧接着晚材管胞间迅速滑移并最终产生断裂。

图  6  试件破坏断面形貌图

Figure  6.  Fracture morphology of specimens

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3.   结　　论

利用实验室自建高能微波设备在微波能量密度分别为60、80、100 kW·h/m³这3种工艺条件下对含水率为（60 ± 10）%的辐射松锯材进行处理。探究了高能微波处理对木材抗弯弹性模量、抗弯强度、弯曲塑性功与损伤演化特征的影响，将试件破坏形貌与AE相联系，阐明了未处理辐射松木材与高能微波处理材在弯曲载荷过程中的损伤演化与破坏规律。主要结论如下：

（1）在本研究采用的3种微波能量密度下，高能微波处理对木材抗弯弹性模量、抗弯强度无显著影响，处理材抗弯弹性模量、抗弯强度变化率均小于10%。但高能微波处理对木材弯曲塑性功有着显著的影响，随着微波能量密度的增加，弯曲塑性功呈现出先增加后降低的趋势。当微波能量密度为80 kW·h/m³时，处理材的弯曲塑性功为11 059.07 mJ，较未处理材的提高了22%。

（2）弯曲载荷作用下，损伤首先发生在拉伸部位外侧，由于早晚材强度的差异，试件TL面产生锯齿状破坏。随着微波能量密度的提高，处理材微观结构的破坏程度增加，在宏观下形成更为粗糙的破坏断面。

（3）AE特征能够有效说明高能微波处理材的损伤演化规律。通过对AE振铃计数、累计振铃计数、能量与幅度特征的参数分析表明：高能微波处理材在弯曲塑性阶段的AE信号密度与微波能量密度呈正相关，高能微波处理对木材结构造成的微观破坏提高了木材在加载过程中的损伤增长速率与应力重组效率，从而在一定程度上增加了木材弯曲塑性功。