木材是4种常用工程材料(钢材、石材、塑料、木材)中唯一可再生的材料，人类天然资源的日趋枯竭，前3种天然材料的耗尽之日仅仅是时间问题。随着人类环保意识的增强，多数发达国家的木材资源几乎都进入良性循环。中国随着天然林保护工程的深入，50年以后，中国木材资源也会和发达国家一样进入良性循环，人类木材采之不尽、用之不绝之日即将到来。木材现代加工技术的发展，利用木材制成和普通钢材强度近似的高强度木材，在特定场合(绝缘、绝磁、保温、轻结构、各向异性、有纹理要求等场合)替代钢材，在未来不可再生的矿物资源原料枯竭之时全面替代钢材、石材和塑料，是现代木材加工技术的前沿课题。

1 问题的提出

如果要将木材制成和普通钢材强度近似的材料，必须改变现有木材的细胞结构。随着木材生物细胞学理论的深化，木材加工机理的研究将日趋深入到细胞和纳微米纤维结构的研究水平。木材力学性能的传统分析理论中，早在100多年以前，人们就发现木纤维的单丝强度和普通钢材完全近似，木材的断裂长度高于许多金属材料(科尔曼等，1991)。木材的强度之所以低于钢材是由于木材缺陷的存在，木材细胞组织的大小远远大于钢材，细胞排布的方式和金属完全不同，木材六棱形空心形状对弹性模量和强度的影响降低了木材的强度。在纳微米技术发展的今天，利用木材微米木纤维的加工技术，通过改变木材的细胞结构来获得完全没有缺陷的木纤维，在近似纯木纤维的条件下，通过微米木纤维的定向重组加工，就可以制造出单丝强度近似于钢材的微米重组定向纤维板(马岩，2001)。

在传统木材的改性技术研究中，人们要通过木材细胞的组成结构变化来改变木材的材性(Diao et al., 1996)。人造木质复合材料也要通过改变木材的细胞组成和细胞变异形成新的人造材料(Callum et al., 1999)。在木材纳微米加工技术的研究中，微米重组定向纤维板通过彻底改变木材细胞结构的形状，通过细胞变异过程和利用微米加工清除缺陷，剔除影响强度的低强度纤维组织，需要先从数学描述理论和方法上确定微米木纤维的形成方法，从而确定最佳的纳微米纤维的加工方法。

2 微米重组定向纤维板构成的基本思想

木纤维的单丝强度和普通钢材近似，但木材总体构成以后，其强度仅为普通钢材的10%左右。这种由于结构上的缺陷导致强度的下降是可以通过结构的重组来弥补的。如果将木材细胞的空腔消除，空腔内影响强度的胶液体排除，降低强度的木质素和缺陷等剔除，将高强度的微纤丝按钢材组成的密度重组，这样的木材就可以和普通钢材具有相同的强度。

木材横断面的规则细胞结构是由纤维素、木质素等组成，在光学显微镜下，细胞壁分为胞间层、初生壁和次生壁。从木材显微照片可以看出，多数木材横断面呈椭圆蜂窝状。从单个细胞的数学模拟可以定量地分析微纤丝含量的确切百分比, 定量地分析不同胞壁厚度可能对木材性能的影响(Maekawa et al., 1993; Adya et al., 2001), 定量地分析细胞椭圆度对细胞性能的影响(Ugai et al., 1999), 定量地分析不同细胞分布形式可能对木材性能的影响，定量地分析胞腔内胶体、糖类和水份可能对木材性能的影响(马岩，2001)，使细胞分析在数学模拟的基础上实现计算机仿真，从完全依赖显微镜的定性分析和人为猜断向数学模拟及计算机仿真的定量和逻辑推理的科学判定的方向发展。

木材规则细胞大小和形状的数学分析是细胞重组和裂解的基础，是细胞的排列完全满足超高强度微米重组定向纤维板要求的前提。因此，完成规则单个细胞形状的数学描述，对规则细胞中心位置的数学描述方法进行进一步的探讨，以便简化规则细胞的整体数学描述，从微观入手，讨论木材宏观状态的性能参数是微米重组定向纤维板的基础。

3 木材细胞的数学描述理论

由于木材是各向异性的，按复合材料力学划分，可以假设木材是近似横观各向同性材料。在这样的假设条件下就可以建立木材的微观规则细胞木纤维形状的数学模型(马岩，2002)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中d₀为细胞横断面椭圆外廓包络圆直径；d₁为细胞横断面外廓宽度；Δ为细胞横断面外壁胞间层和初生壁厚度之和；X、Y为单个细胞横断面的坐标变量；r₀为细胞胞管半径；δ为细胞胞管具瘤层厚度；A、B、C、F为方程的常系数。

在(1)式中，如果当d₁＝0.866d₀时(见图 1)，A=B=4；C=F=1 (细胞结构最简单的一种结构形式)，这个细胞模型形状近似于六棱椭圆。方程(1)表示的是图 1六棱外形的8条斜边包络的区域。(2)式表示的是图 1六棱形外形的4条直线包络的区域。(3)式表示的是图 1圆柱形外形的内外圆包络的区域。包络区域内的材料假设定义为木纤维中的微纤丝，六棱形胞壁内和胞管外之间及胞管内包络区域的物质是果胶脂、水分、糖类化合物等。(4)式是外六棱和中间圆柱形之间间隔的数学描述方程。有了(1)~(4)式以后，就可以定量的计算木纤维和基体的体积比例，分析各自对木材材性和变异规律的影响，可以进行微米重组定向纤维板重组过程的细胞变异的理论分析。

4 微米重组高强度纤维板细胞壁厚的确定理论

根据提出的数学描述理论，可以定量求出细胞壁厚，由于不同树种的细胞壁厚不同，具体树种要具体分析。本文以柳杉为例，分析计算如下：由成俊卿(1985)文章图版7-5中可得柳杉的横断面显微图片，从显微图片中可以查出，在2 mm×2 mm内有61行和61列的规则细胞，合计约有3 721个规则细胞，按比例细胞当量圆直径d₀约为0.037 mm，和(科尔曼，1991)书中给出的0.033 mm近似。由马岩(2000)一文分析结果可近似得：纤维素在规则细胞中占的比例约为41%，半纤维素和木质素约占33%；由马岩等(2000)另文(3)式可求出：木纤维约占规则细胞体积的74%；由马岩等(2000)文章的(6)式可求出果胶脂、水分、糖类化合物等约占26%。对于木材来讲，当木纤维占71%以后，从(1)~(4)式的分析可知：假设认为δ和Δ相等(实际相差极小)，根据图 1所示的细胞结构，取：，可以求出：。当d₀=0.037 mm时，Δ=0.003 4 mm。当然在没有数学模型的情况下，可以类比图片面积的比例求出δ和Δ的大小，也可以由更高倍的电镜实验量出δ和Δ的大小。求出δ和Δ的大小以后，就可以定量的分析木材的横断面显微规则细胞的纤维分布和确定细胞剖分的最佳位置。由于本文是初探，实验数据的样本不足，本例仅为说明模型的数学意义, 科学的论证还要由大量的实验进行充分的科学根据的计算得出论证结论。

5 微米重组高强度纤维板纤维细胞剖分位置确定的定性分析

在确定细胞壁厚以后，细胞数学模型将建成。在传统的纤维形成过程中，由于纤维加工的端面尺寸达不到微米级，使纤维细胞结构没有破坏，在加压的过程中，纤维丝的细胞结构仍然是没有破坏六棱形的结构，从图 2中可以看出，传统的纤维形成过程中，细胞基本没有压溃。纤维板加工时在热压的过程中想通过压机压碎细胞是不可能的。

一般在传统压缩木加工中，表面压力在达到近20 MPa时，木材的细胞才可能出现压溃细胞的结构压缩后形成压缩木的高强度。在进行重组木的木束碾压过程中，对木束的碾压力进行精确的理论分析，当压力达到10 MPa时，细胞六棱形的这种稳定结构也没有压溃现象出现。因此，要想彻底消除木材的微观缺陷，破坏木材细胞的组成结构，就要使纯纤维丝处于独立分布的结构以后再重组，才可以形成微米重组高强度定向纤维板。

传统热磨机磨出的木纤维端面尺寸在0.1~0.5 mm之间，一般相当于图 2所示的结构。如果沿木材顺纹刨片时，将刨切厚度定义在0.2~0.4d₀之间，图 2的纤维刨片结构就变成下列的3种(如图 3所示)情况：

不论哪种情况，都不会出现整个细胞的结构。这样由细胞壁构成的纤维丝，在一般纤维板热压的压力作用下就可以将其展开成图 4所示的形式：

由于在纤维的刨片阶段就将纤维加工到微米级，并针对不同树种选取不同刨片厚度(不同树种的d₀相差极大)，使纤维的六棱形结构在刨削加工时就完全破坏。刨片是小刀楔角刨切，切削功率小，而热磨是大楔角、甚至是负前角加工，功率损失相当大，因此，微米重组高强度定向纤维板生产线的备料功耗可能远远小于热磨加工的功耗。最主要的是按图 3结构形成纤维在热压时可以完全压缩紧密，而图 2形式的细胞结构在热压时是完全压不开的。

当纤维加工到图 3形式时，木材的所有缺陷都可以很容易的剔除。在经过筛分以后，合格的木纤维都可以认为是达到了单丝理想强度的微米木纤维，这样的木纤维经胶合、定向铺装和热压以后，适当加大压缩比，其强度就可以达到或接近普通钢材的水平。

6 微米重组高强度定向纤维板强度的理论预测

在定性分析了形成微米重组纤维的方式之后，根据纤维重组的理想方式就可以定量的推测微米重组高强度纤维板的主方向弹性模量的数值。假设：微米重组纤维丝在加工到微米级别以后处于理想单丝结构状态，其强度满足单丝强度的实验数值；在铺装的过程中，微米木纤维和该板主方向铺装角为0°，充填饱和，接触系数c=1(马岩，1995)，经筛分、碾压以后缺陷将完全剔除；微米木纤维经胶合热压以后，胶合面结合强度大于纤维丝横向结合强度，胶合将加强原微米木纤维材质的横向强度，对木纤维的纵向强度影响满足复合材料力学分析理论的基本假设。

在满足上述基本假设以后，微米重组高强度定向纤维板的主方向弹性模量可由下式求出：

(5)

式中E_f为木纤维单丝弹性模量；E_m为胶固化后的弹性模量；V_f为木纤维在板中的体积比率，按c=1时，取V_f=0.9；V_m为胶料在板中体积的比率，同理，V_m=0.1。

从科尔曼等(1991)文的表7.6中可知：柏木晚材单丝纤维的E_f=37 500 MPa，从实验可知E_m=4 530 MPa，将上式结果代入(5)式得E₁=34 203 MPa，对于普通钢材来讲，E=21 000 MPa。实际生产中上由于c≠1，铺装时，铺装角也不可能等于0，在实际实验中也不可能压出E₁=34 203 MPa的微米重组高强度定向纤维板，但强度略低以后，就可能接近钢材E=21 000 MPa的数值。

7 结论

本文提出的新板种设计方案仅是一种初探，其中许多理论还有待实验进一步修正。用微观力学的方法和数学工具分析木材在规则细胞结构内部的分布和尺寸的具体参数，将为木材微观力学和木材规则细胞学分析应用到人造板力学中，为新板种的创新提出一种新的途径。应用本文的理论，可以在微米重组高强度定向纤维板加工的过程中，将单丝纤维直接变成纤维板强度构成的主体，通过改变木材细胞剖分的结构方式来获得缺陷剔除和纤维纯化，在这样的条件下形成微米重组高强度定向纤维板定形加工的形成机理；可以在微米重组高强度定向纤维板技术研究中，通过木材细胞的胞管组成结构变化，解释使人造板强度显著提高的原因；可以在人造板的纳微米技术研究中，从细胞结构的形状和变异过程利用数学描述理论和方法确定纳微米木纤维的形成方法和形成后的形状，从而确定最佳纤维形成的加工方法。