近年来，天然纤维，特别是木材纤维(本文特指的是针叶材管胞)作为增强材料制造聚合物基复合材料的研究得到了人们的广泛关注。据统计，1995年世界木材纤维的总产量达到17亿5 000万吨(Eichhorn et al., 2001)。丰富的原料资源正使木材纤维/塑料复合材料成为材料制造商新的竞争领域以及材料科学新的研究热点。但是，由于我们对单根木材纤维的力学特性缺乏足够了解，纤维在复合材料中的增强潜力没有得到充分发挥，限制了产品的使用范围。因此深入了解木材纤维的力学特性及其断裂机理对于实现木材纤维/塑料复合材料的高效设计，充分利用木材这一可再生的天然资源具有重要的现实意义。

木材纤维力学性能对于制浆和造纸也具有重要意义，其基本力学数据是设计高效节能的制浆工艺和热力制浆设备必不可少的科学依据(Bergander et al., 2000a)。目前，我国人工速生木材普遍存在材质低下的缺点，应用范围受到了很大限制，这对国家实施的天然林保护工程极为不利。为了从根本上解决这一难题，必须从营林和分子遗传的角度对人工林木材进行改良，这就需要从细胞甚至分子水平深入了解木材构成单元——纤维的力学特性及其影响因子，为木材品质的基因改良提供量化的目标和指标。

对单根纤维力学性质的研究最早可以追溯到1925年，Ruhlemann(未见原文)经过初步研究得到了化学离析杉木管胞的断裂强度。由于在当时的实验条件下，进行这方面的研究难度很大，他的研究没有引起其他学者的注意。直到Klaudita等(1947)改进了实验方法，对脱木素木材纤维的力学特性进行了一系列的研究，这方面才得到了广泛重视。之后，有关单根木材纤维力学性质的研究日益增多。Mark(1967)在其博士论文的基础上，总结了其他学者的研究成果，出版了《管胞的细胞壁力学》一书，标志着管胞(纤维)细胞壁力学初步形成了一个较为完整的研究体系。

过去几十年来，由于实验条件的限制，国内对管胞胞壁力学的研究从未开展过，甚至未见有关细胞壁力学研究现状的详细综述。本文将进行人工林针叶材管胞胞壁力学的相关研究，从实验方法、理论预测两个方面对国外细胞壁力学的研究现状进行详细介绍，以引起国内木材科学研究人员的兴趣和重视。

1 单根木材纤维力学性质的实验测定

针叶材管胞一般长1~5 mm，直径为20~50 μm。对于这样微小的试样，实验上测定其力学性质不是一件容易的事情, 因此探索可靠的测试方法一直是细胞壁力学的研究重点之一。通常使用的有直接测定和间接测定两种方法。直接测定法直接测量离析后的单根管胞的力学性能；间接测量法测量的对象的则是一小簇管胞。显而易见，前者得到的结果较为可靠，但操作起来较为困难；后者虽然较容易测量，但试样制作比较困难(图 1)，并且所得数据的可靠性有待探讨。目前测量单根纤维力学性质一般采用直接测量法, 因此本文只介绍如何用直接测量法测定单根纤维力学性质。

1.1 纤维夹紧和定向

测定单根木材纤维的力学性质是验证细胞壁力学模型有效性的必要手段。纤维力学性质及其测定方法的研究最早开始于纺织和造纸行业，目的是探讨纤维的力学性质对纺织或纸制品力学性能的影响；但由于木材纤维尺寸微小，物理力学性质不均匀，受含水率影响较大，测量工作困难得多。主要表现在以下几个方面：纤维夹紧，纤维定向，纤维胞壁面积的精确测量。因此众多学者在改进木材纤维力学性质的测量方法、提高测试手段可靠性方面做了大量的研究，研究中首先要解决的难点是纤维的夹紧。由于木材纤维在低含水率的条件下较脆，且尺寸微小，因此在拉伸以前，应尽量避免对纤维的损伤。夹紧方式主要有机械夹紧和胶粘两种方法。机械夹紧需要采用特制夹具(Jayne, 1959; Kellogg et al., 1964; Tamolang et al., 1967)，这种方法不仅可能导致纤维在加载过程中发生滑移，还容易造成夹紧处细胞壁不同程度的压溃，导致纤维的提前失效(即纤维在夹紧处断裂)。机械夹紧方式通常会导致超过50%的试样在夹紧处断裂，Hardacker (1963)证实了这一点，认为机械夹紧方式常常压溃夹紧处纤维的细胞壁，从而造成拉伸强度的下降。后来，胶粘方式(Armstrong et al., 1977; Duncker et al., 1965; Mathevet, 1965)的可靠性得到了验证，逐渐取代了机械夹紧方式。目前实验中最常用的胶粘剂是二组分环氧树脂。应该指出，胶粘方式并不是直接把纤维粘到加载装置的夹具上，而是先粘到某种媒介上，再进行加载。常用的媒介有纸板、硝酸纤维素、塑料、金属等。

如果在加载时纤维的取向明显偏离加载方向，很容易造成拉伸剪切破坏，影响结果的可靠性。为了保证纤维方向与载荷方向尽可能一致，最好允许纤维在拉伸过程中能自由取向。例如，Mclntosh等(1968)设计了一个刚性夹具系统，其中下部夹具悬浮在熔融的铅液上，当纤维取向适合后，使铅液冷却固定。Kallmes(1966)则把下部夹具固定在一个可以旋转和倾斜的台子上，以实现纤维的垂直取向。很明显，上述方法实际操作起来非常困难，不具有普遍适用性。Kersavage (1973)对胶粘夹紧方式做了重大改进，进一步减少了纤维取向不当引起应力集中而造成纤维提前破坏的问题。方法是：在针叶材纤维端头附近加环氧树脂微滴，树脂固化形成球形端头，这样纤维在拉伸时就可以在球槽型束缚中自由旋转(图 2)，以减少纤维拉伸剪切偶联(Mark et al., 1970)而导致纤维提早断裂失效的可能性。球槽型夹紧系统的另一个显著特点是极大地简便了实验程序。在实验前小心地把媒介装上拉伸装置后，以后的工作就剩下更换两端事先滴有环氧树脂的纤维了，这就保证了对不同纤维测试条件的一致性。Kersavage(1973)认为，球槽型纤维夹紧系统不仅显著降低了纤维在夹紧处断裂的概率，而且获得的纤维力学强度明显大于其它方法得到的数值，具有较高的可靠性。后来这种方法被进一步改进(Groom et al., 1995; Mott et al., 1996, Shaler et al., 1996)，极大地提高了测试速度，被用于研究木材纤维纵向力学性质在树木内的变异规律(Groom et al., 2002a；2002b; Mott et al., 2002)。

1.2 单根纤维细胞壁面积的测量

由于对纤维加载得到的只是载荷-伸长率曲线，为了获得希望的数据，如弹性模量、断裂应力等，就必须知道纤维横切面细胞壁的面积。目前经常采用的方法是光学显微镜测量法，即拍摄一定放大倍数纤维横断面的显微照片，再通过测面积学的方法测得细胞壁的面积。这种方法的难点在于如何在显微镜下观察单根纤维的横断面。曾经采用的方法是把纤维镶嵌在某种媒介(冰、醋酸纤维素等)中，再用切片机垂直纤维方向横切。可见，用普通的光学显微镜测量单根纤维胞壁面积是相当困难的，而激光共聚焦显微镜由于采用激光切面，可以进行无损检测，省去了纤维包埋这一程序，因此近年来得到了运用(Mott et al., 1996；2002)。

1.3 新进展

20世纪70年代，加拿大国家制浆造纸研究院的一个研究小组对单根木材纤维的力学性质及其测试方法做了一系列的研究，使单根纤维力学性质的实验方法提高到了一个新的阶段(Page et al., 1972; 1977; 1983)。他们的创新主要表现在以下几方面：把纤维夹在盖波片和载波片之间，使管状纤维塌陷成为扁平长条形纤维，这样就防止了干燥过程纤维的扭曲变形，有利于纤维的胶粘和随后的显微分析；使用光学传感器代替通常使用的移动十字头测量纤维拉伸变形，明显提高了测量的精确度；在加载过程使用配有16 mm彩色照相机的偏光显微镜对纤维进行显微分析。

温度和含水率对木材纤维的力学性质有着重要的影响。但早期测定通常局限于室温和室内相对湿度这单一的环境条件，虽然也有一些学者通过在拉伸过程把纤维浸在水里，或向纤维喷水的方法得到了纤维在水分饱和状态时的纵向力学性能数据，但通常只有一个加载周期。最近，由Peter等(1999)领导的一个研究小组设计了一套能在不同的温度和相对湿度的条件下对单根木材纤维的纵向进行多周期加载的装置，使研究单根纤维的疲劳破坏成为可能。

早期由于实验条件限制，研究一般集中在纤维的静态力学特性，而对拉伸过程纤维的微观动态变化研究较少。20世纪80年代以后，扫描电镜的运用使单根木材纤维力学性能的研究进入了新的阶段。Irving(1986)把微型压缩装置置于扫描电镜内，首次观察到了单根纤维的压缩破坏顺序。Shaler等(1996)则是把自制的微拉伸计置于环境扫描电镜的样品室，研究单根纤维的拉伸破坏行为, 并同时使用了激光共聚焦显微镜研究单纤维的三维构造。

应该指出，大部分研究中所用的纤维是经过化学或机械分离得到的，所以测定的数值与天然态(in situ)纤维有一定的差异。Wimmer等(1997)提出使用纳米压痕仪测量管胞次生壁的纵向弹性模量，第一次得到了天然态红云杉(Picea rubens)管胞弦径壁的纵向弹性模量及其在管胞壁厚度方向上的分布规律。纳米压痕仪所用样品的制作方式和一般投射电镜试样的制作方式相似，其中采用的包埋剂为Spurr树脂，包埋的目的是为了尽量减少试样制作过程细胞壁结构的松弛。仪器对样品的表面平整度有很高的要求，因此需要用配有钻石刀头的超薄切片机提高样品的表面光洁度。由于纳米微压痕仪试样在制作过程中没有经过强化学药剂处理，胞壁最大程度地保留了它的天然态。此外，纳米微压痕仪最突出的特点是具有极高的分辨率，对压痕深度的空间分辨率达到0.17 nm，载荷分辨率达到0.4 mN, 这意味着能够在亚微米尺度内对样品的力学响应进行研究。

与纵向力学性质的研究相比，目前对单根木材纤维横向力学性质的研究相当有限，因为要实现对单根纤维的直接横向加载是非常困难的。由于纤维的横向力学性质对于制定和设计高效节能的热力制浆工艺、设备，以及木材横纹压缩密实化改性都具有重要现实意义，有些学者已经开始了这方面的初步研究，取得了一定进展。其中最引人注意的是Bergander等(2000a；2000b)的研究。他的研究有3个特点：(1)试样制作：厚度(L方向)约为0.2 mm, 沿径向切制单排双径壁条(见图 3中的虚线)；(2)微拉伸仪置于环境扫描电镜的样品室内对试样进行径向拉伸，拍摄试样加载前和加载的不同阶段的显微图像；(3)把图像输入计算机，运用数字影像关联技术(DIC)把试样变形前的图像和变形后的图像进行交叉关联分析(cross-correlated analysis), 获得样品不同加载阶段的应变场，由此得到的挪威云杉(Picea abies)的横向弹性模量在700~3 000 MPa之间。Farruggia等(2000)研究的则是一小簇管胞(一般为10×10个管胞)的平均横向弹性模量。他把杉木薄试样置于体视显微镜下横向拉伸(观察面为横截面)，拍摄未加载和不同加载阶段试样横截面的显微照片，然后利用数字影像分析系统获得不同载荷下管胞的横向应变，由此获得早材和晚材管胞的弦径向弹性模量及弦径向泊松比。相对而言，后者在试样制作上较前者简单得多，并且试样的尺寸也相对较大，具有较强的可操作性。但前者可以获得单根纤维应变场分布等精确信息，为深入研究管胞细胞壁的微力学特性提供了可靠的手段。

2 细胞壁主成分力学性能的实验测定

从复合材料的观点出发，管胞细胞壁是一种天然的纤维增强复合材料。可把木质素和半纤维素复合体视为无定形基相，而把镶嵌其中的纤维素微纤丝视为增强相，这样就可以根据细胞壁的超微构造和它的主成分的物理力学性质，运用复合材料细观力学对木材纤维力学性能进行理论预测，但前提是必须获得细胞壁主成分力学性能的实验或理论值。

2.1 纤维素

纤维素是木材细胞壁的主要成分，构成了细胞壁的骨架，它是自然界中储藏量最为丰富的天然高分子。Sakurada等(1962)从实验中获得结晶纤维素的纵向弹性模量为134 GPa。Mark (1967)则从结晶纤维素的结晶构造出发进行了理论计算，所得的计算值比实验值略低。Gills (1969)在他的理论计算中考虑了氢键，得到的纵向弹性模量值高达246 GPa, 同时计算所得的泊松比却比预想的小的多，因此他的研究结果没有得到普遍接受。目前在利用细胞壁力学模型计算纤维的弹性模量时，一般采用的是Sakurada和Mark的研究结果。

2.2 半纤维素

实验测量半纤维素的弹性模量是一项费力的工作，需要经过半纤维素分离、模压成试件、测试等工序。Cousins(1978)是第一个获得半纤维素弹性模量实验值的人。根据他的实验结果，含水率对半纤维素的弹性模量影响很大，从绝干到接近饱和这段范围内，数值从8.0×10⁹ GPa降到了1.0×10⁷ GPa，变化范围达3个数量级。半纤维素在胞壁中并不是完全无序排列，特别是与微纤丝毗邻的半纤维素鞘，其分子链的取向与微纤丝大致一致，Mark把这部分半纤维素与纤维素一道归于细胞壁的骨架物质，其余的半纤维素则与木素一道视为基质。Cave(1976)则把半纤维素作为单独的成分来处理，并假设它为横向各向同性物质，其纵向弹性模量是横向的两倍。

2.3 木素

尽管木素是各向同性的三维空间网状高分子，但其弹性模量的测量过程与半纤维素一样，也是相当困难和繁琐的，目前仍缺乏木素弹性模量的可靠数据。Srinivasan (1941)是最早对木素杨氏弹性模量进行实验测定的人，所测的的值为2.0×10⁹ Pa。Mark(1967)推测木素泊松比和许多无定形高分子一样为0.3，并由此计算出木质素的剪切模量为0.785×10⁹ Pa，后来这三个数据被普遍引用。但Cousin等(1975)使用连续压痕法测得二氧杂环乙烷(Dioxane)木质素在含水率为3%时的弹性模量为(3.3±0.4)×10⁹ Pa, 表明木素的弹性模量和含水率有关，说明有必要对木素的弹性参数进一步地测量。随后Cousin(1976)又证明了高锰酸钾木素和克拉松(Klason)木素的杨氏剪切模量与含水率之间近似存在线性关系, 并测得含水率为3.6%时，高锰酸钾的杨氏模量约为6.7×10⁹ Pa。可见不同分离方法得到的木质素的力学数据不尽相同，甚至会相差很大。

3 管胞细胞壁计算力学研究进展

目前管胞细胞壁计算力学研究主要集中在木材纤维纵向弹性模量的理论预测方面。这是因为纤维的破坏是一个复杂、随机的过程，其强度的理论预测远较弹性常数困难、复杂的多。细胞壁计算力学的研究对象一般局限于管胞，主要是在壁层结构的基础上，提出经过一定简化的物理模型，然后根据细胞壁要主成分的力学性质，运用复合材料细观力学理论和经典层合板理论，计算出管胞的弹性参数。

Mark(1967)是最早对管胞胞壁力学进行系统研究的学者之一，提出了单纤维多层结构模型及相应的理论计算方法。Cave (1968；1969)把Mark的多层胞壁结构模型简化为具有特定化学组成和纤丝角的单层模型，并给模型引入了两层平衡结构概念，第一次把完全剪切束缚(complete shear restraint)概念引入细胞壁力学模型。Schniewind (1969)对Cave的模型进一步改进，提出了多层结构完全剪切束缚模型，即双胞壁多层模型，开始了细胞壁计算力学研究的新阶段。单纤维多层结构模型和完全剪切束缚模型构成了细胞壁计算力学研究的基础。Cave(1972;1976;1978a;1978b)随后在细胞壁计算力学方面做了进一步的研究，引入了细观力学中的自洽理论(self consistent method)，并提出了一个两层胞壁模型，在他的模型中同时考虑了S₂层纤丝角和S₂层相对厚度两个变量(在此之前的计算模型中只考虑S₂层纤丝角一个变量)，使计算结果与实验结果更为吻合。

与Mark和Cave把微纤丝视为连续的增强体(不考虑微纤丝的非结晶区)相反，Salmen等(1985)引入了不连续增强体(discontinuous reinforcing element)这个新的概念，从而考虑微纤丝非结晶区的影响, 并在计算模型中引入了复合材料细观力学中著名的Halpin-Tsai方程，从而考虑了微纤丝增强体形状因子(长径比)对纤维纵向弹性模量的影响。Koponen等(1989)在双壁多层结构模型的基础上，使用了Chou等(1972)导出的方程计算了管胞的纵向弹性模量。随后，他对模型进行了进一步的改进(Koponen et al., 1991)，在模型中引入了射线组织，并提出了径向胞壁角(管胞径向壁与木射线之间的夹角)和三点弯曲元件(the triple point element)的新概念。最近，Harrington等(1998a；1998b)把细胞壁各薄层(lamina)视为单向纤维增强复合材料，引入代表性体积单元(representative volume element, RVE)，通过多步均质化方法(multi-pass homogenization procedure)把非均质的RVE均质化，并使用Chou等(1972)所提出的计算方程得到了细胞壁各层的弹性参数。

进入20世纪90年代后，影像分析技术在细胞壁计算力学中得到了运用。Watannbe等(1999)使用光学显微镜得到了7种针叶材早材横截面的显微照片，然后把图像输入计算机进行型谱(power spectrum analysis)分析，得到了早材管胞特征形状的数量化参数，然后代入Gibson方程，定量地解释针叶材横向弹性模量与密度之间的关系。而Harrington等(1998a；1998b)则通过计算机图像处理，得到管胞横截面的骨骼化影像(skeletised image), 然后把该图像输入一个有限元程序得到三维的有限元模型，利用有限元模型计算所得结果与前人实验结果吻合得很好。江泽慧等(2002)、侯祝强等(2003)依据针叶树木管胞和射线细胞的结构模型，使用计算机抽样模拟解剖结构参数，计算了人工林杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)幼龄材和成熟材纵向弹性模量，理论值和实验值模拟得很好。

4 分析与讨论 4.1 现状

从以上的分析可见，细胞壁力学发展明显经历了3个阶段：20世纪60年代到70年代末，这是细胞壁力学蓬勃发展的阶段，不论是在实验方法还是理论计算方面都取得了较大的进展；80年代初到90年代中期，这段时期细胞壁力学研究发展缓慢；90年代中期以后，新的测试技术和研究方法使细胞壁力学的进一步深入研究成为可能，这方面的研究报道明显增多。

到目前为止，细胞壁力学尽管取得了许多进展，但仍然存在许多不足，主要表现在：(1)单根纤维横向力学性质的实验测定方面的研究非常有限，已有的方法尽管具有一定的可靠性，但操作起来较为困难，应寻找相对简便易行的测定方法；(2)弹性性质方面的研究较多，强度方面的研究很少，特别是木材纤维强度理论预测方面的研究几乎是一个空白；(3)对纤维素力学性质的理论计算较为成功，但目前未见半纤维素、木素力学常数理论计算的研究报道。此外，半纤维素、木素力学常数实验测定方面的研究自20世纪70年代以来停滞不前。

4.2 建议

木材是一种复杂的天然纤维增强复合材料，在木材中存在几种不同层次的复合作用：木材细胞壁各层内具有方向性的纤维框架物质与无定型的基质之间的复合；(2)细胞壁各层具有不同成分和结构，它们之间层叠复合；(3)在宏观上可把针叶材视为管胞为增强相，胞间层为基质相的混杂纤维(由于早晚材管胞的力学性能存在差异)增强复合材料。因此复合材料细观力学应是细胞壁力学研究的首要工具，应该时刻关注细观力学的发展，把复合材料细观力学中最新的理论和实验方法及时地运用到细胞壁力学的研究中。其实在细胞壁计算力学的发展过程中，细观力学的思想与研究方法已经有意识或无意识地被运用其中。从这个角度上说，把细胞壁力学称为细胞壁细观力学似乎更为合适。细胞壁力学的微观本质表明它对实验设备的要求较高，应该注意把高精尖的实验仪器运用到细胞壁力学的研究中。例如微拉伸计、扫描电镜(特别是环境扫描电镜)、数字影像关联技术、纳米微压痕仪等都是研究细胞壁力学的必备工具。

由于木材是一种结构复杂的非均质天然纤维增强复合材料，力学性能变异大。在细胞壁力学研究中，应遵循分步进行、就近相连的原则，即首先建立细胞壁主成分及其微观构造与单纤维力学性质之间的关系模型，再采用单纤维和薄小试样相结合的研究方法分别建立单纤维与早晚材之间的关系，最后才进行木材宏观性能的预测。