自20世纪90年代以来，木质复合材料的发展已成为木材科学发展的重点，现代工业及高技术领域对优质、高性能木质复合材料的需求，迫使人们必须深入到木材的微观或细观层次上去研究构造与强韧功能的相互关系并形成一种新的理论。虽然在近10年里，木材物理力学领域中越来越多的工作已经转向微观或细观范围的研究，但却较少关注宏观力学行为与微细结构演化的相互联系。木材是一种具有明显细观结构、可在多尺度下研究的天然复合材料，由于非均匀、各向异性和“天然"存在的微观甚至宏观的缺陷或损伤(裂纹)，受荷后这些初始缺陷或损伤的不规则演化行为决定着木材的宏观力学行为。因而，探明木材受荷后内部微细结构的变化，沟通其与宏观力学响应之间的联系，并由此获得新的木材构造与其强韧功能相互关系的认识，对研发能够克服木材缺点、具有特殊强韧性能的新型木质复合材料具有重要指导意义。

1 木材破坏的传统方法与木材断裂力学

长期以来，研究木材变形与破坏的传统方法是基于均质连续性假设之上的材料力学方法，这是一种直观、经验的处理方法，表述简单，易于应用，但忽视了材料固有缺陷的影响，而实际上材料的变形和断裂在很大程度上是由这些固有缺陷所支配。断裂力学抛弃了物体的连续性假设，通过引入新的物理量(断裂韧度)和由它建立的准则，给出了全新的强度设计观念，对整个材料制造业带来具有重要指导意义的影响(如界面弱化的增韧机制即为断裂力学原理在人工复合材料设计中得到很好应用的一个范例)。将断裂力学原理应用于木质材料中，始于Porter(1964)的首篇论文，此后各国学者做了大量的深入研究，并提出了各种木材断裂模式和断裂判据。用于木质材料的宏观断裂准则大致可分为2类：一类是基于裂尖过程区能量耗散的G准则；另一类是基于裂尖过程区应力场强度的K准则。

线弹性断裂力学原理用于木材裂纹沿顺纹扩展的断裂问题是成功的，早期的研究正是集中在这类裂纹体上。由于木材在刚度和强度方面展示了强烈的各向异性性质，因外载或湿、温度变化而引起的张力，对在垂直纤维方向非常不利，所以，在木材横断面上由于张力而形成并扩展的裂纹以及界面强度仍是当前木材断裂力学研究领域中活跃的课题(Dill-Langer et al., 2002)。与国外相比较，我国木材断裂力学研究开展较迟，鹿振友(1988)发表了国内首篇介绍国外在该领域进展的综述文章，此后范文英等(1993)、孙艳玲等(1999)、江泽慧等(2000)、任海青等(2001)、王丽宇等(2002)、费本华等(2003)先后在木材断裂力学领域开展研究。笔者也在近几年中比较深入、系统地研究了木材断裂，并在基础理论(阐明了线弹性断裂力学原理应用于木材断裂的特殊性)(邵卓平等，2002)、试验方法(邵卓平等，2001；邵卓平，2002)、横纹断裂强度设计准则以及在阐述木材构造与强韧性关系(邵卓平等，2003)等方面有着独立的见解。

2 木材损伤与损伤力学

断裂力学是一种由整体上研究宏观裂纹扩展规律并做出定量分析的方法，但它没有涉及到宏观裂纹产生之前，已存在着不容忽视的微观缺陷的力学效应。由于木材中往往存在大量的原生细观缺陷(如纹孔、细胞壁裂隙、界面损伤等)，在外载作用下，这些微缺陷或损伤将逐渐演化、汇合，并形成宏观裂纹。木材损伤是指在载荷或环境作用下材料的微缺陷形成，导致其内黏聚力的进展性减弱而引起的力学性质逐步劣化的现象，这是木材内部微细结构状态的一种不可逆的、耗能的演化过程，宏观裂纹的形成正是损伤变量达到其极值的结果。损伤演化是断裂纹形成的前提，断裂纹的扩展又为损伤扩展了范围，可见木材的损伤与断裂反映了木材从变形到破坏的物理全过程。

损伤力学是继断裂力学之后对材料内部微细缺陷的萌生、扩展、汇合以及所产生的力学效应的研究，它不仅适用于有宏观裂纹的材料，也适用于无宏观裂纹的材料。材料损伤的描述模型按其特征尺度和研究方法可分为细观和宏观(即唯象学的)2种，前者是根据材料的微细结构或组分的单独力学行为以及相互作用来建立细观模型描述损伤的物理过程；后者是通过引入一种所谓“损伤变量"的内部状态变量来描述分布于整个材料内部的微细缺陷损伤。由于材料的微细结构状态决定了其宏观物理行为，因此可以通过测试材料的某种表征物理量的变化(如弹性系数、屈服应力、拉伸强度、伸长率、密度、应力波速和声发射等)来描述损伤的状态和发展，并间接地判断材料的受损程度，避免了对缺陷几何性质、微观机制和均匀化过程的复杂分析。损伤过程的最终状态就是宏观裂纹的出现，从这以后就可按断裂力学方法来处理宏观裂纹扩展直至材料失稳断裂。

损伤力学也是继断裂力学后在材料科学中应用研究最活跃的理论之一，它与断裂力学联结在一起，构成了现代破坏力学或破坏理论的主要内容。但至今尚未见将损伤力学原理用于木材的研究报告，虽然已有木材学家认识到应用损伤力学原理来分析木材的变形与破坏具有广阔的前景并已乐意采用“损伤"一词。

3 木材细观损伤基本构元

如何将损伤力学原理应用到木质材料中，虽早有提议，但迄今尚未见实质性进展的研究报道，其根本原因是木材中所含缺陷的复杂多样性和不规则的演化行为，使人难以在细观物理模型上穷尽对其机制的描述。

木材的细观是一个相对的层次，如同生物学的亚微观近似地从微米(μm)至毫米(mm)的尺度，这一相关3个数量级的尺度范围跨越了木材的组织、细胞、细胞壁与细胞器，直至高分子集聚体。细观结构泛指在光学或常规电子显微镜下可见到的细结构或微结构。木材在高倍率下，具有纤维增强复合材料的结构；在较低的倍率下，木材是一种多孔材料，一种具有严重各向异性孔穴的材料。在大多数木材中，纤维增强孔壁的组成和接合似乎都是类似的，木材之间的主要差异在于它们多孔结构的不同，如孔壁的相对厚度、相对密度、壁腔比等(Gibson et al., 1997)。

木材的多孔层次状结构使其损伤过程复杂，并且相邻不同尺度自组织结构的相互耦合还会产生分别在2个尺度上做独立考虑时不能遇到的力学现象。木材的抗破损能力取决于木材结构的几何因素、射髓孔穴、管胞间或胞壁层间的界面，薄弱的界面能使整个树杆增韧，但也易导致低能量剥离模式的破坏。由于在裂尖前方的一个较大区域中，同时存在着垂直与平行裂纹表面的拉应力，因此，裂纹前端的木材在裂尖应力场的作用下会形成含有大量顺纹取向的微裂隙损伤区，这些裂隙为减少表面能，在外力作用下，在管胞的纹孔或射髓处聚积成核、连通，形成新的界面裂缝，并驱使裂纹或沿孔壁剥离、或撕裂孔壁向前扩展；木材细胞还会因其1级细观蜂窝结构和2级细观S₂层的螺旋状纤维铺设结构相互耦合产生一种拉伸Euler屈服(Jeronimidis, 1976)，这是因非对称螺旋结构的S₂层受拉而使细胞壁出现的向内屈服，并因此在细胞壁上生成螺旋取向的微细裂隙；木材在受到面内压缩或剪切时，由于胞体的应变软化，变形场会在早材区因薄壁细胞屈曲而首先出现塌溃损伤带(Taghi et al., 2001)，这是多胞材料所常见的变形局部化效应的结果；同样，在变形场中的纹孔和木射线周围会因出现应变集中形成破坏区(Chu et al., 1996)；纹孔和木射线常因应力集中而成为首先损伤成核的敏感因素，但同时又是捕捉与阻止裂纹扩展的细观构造因子。

显然，木材中所含缺陷的复杂多样性和不规则的群体演化行为，妨碍了人们对损伤机制的认识，但若能对木材的损伤基本构元进行科学地界定与归类，将有助于对木材损伤断裂本质的研究, 提高对木材破坏机制的认识水平。根据作者近2年的试验观察和分析归纳，木材的细观损伤基元可以初步归纳为4类：1)胞、壁层间界面损伤；2)细胞壁屈曲与局部塌溃损伤带；3)微孔洞损伤与汇合；4)微裂隙损伤(区)。

严格说来，木材不是弹性固体，甚至在室温下迅速加载，它也会呈现黏弹性。由于荷载和温、湿度的作用，木材纤维链分子之间会发生滑动，分子链间的氢键结合会断裂重组，形成黏性移动，并在胞壁上产生微细裂隙。木构件上的蠕变损伤扩展区会对主裂纹产生屏蔽与劣化双重作用，一方面使荷载响应的奇异性下降，使木材裂纹具有“延迟断裂"的现象；另一方面，又使材料对断裂扩展的阻力有所减小，引起荷载和变形间的非线性响应，并使局部破坏和整体失效不再一致，即在承受某种荷载的初期表现为安全的裂纹体，随着荷载作用时间的延长，裂纹将会突然扩展并导致突然断裂。这表明，若不考虑流变性能对木材断裂行为的影响是不完备和不安全的。

4 基于细观过程的唯象学研究方法

现代试验技术和计算机科学的飞速发展，使得人们可以观测和研究宏细微尺度上的力学行为。但当深入到材料微细观层次上时，自然也会面临在数学上如何定量描述微细观结构和损伤的复杂形态、在应用上如何恰到好处地将微细观结构损伤演化的过程与宏观力学行为结合起来的困难。所以，在近20年来，特别值得关注的尝试是力图从材料细微结构本身及损伤断裂过程所反映出的复杂现象中找出某些特征参量，并建立起与之相应的宏观力学现象间的联系。近年来发展起来的基于细观的唯象破坏理论已在四大材料中的金属、石料和塑料中得到很好的应用，在对这些材料破坏机制的研究表明，只要抓住能够反映其主要特征的物理模型，建立基于细观过程的唯象损伤理论，还是有可能的。但由于木材多胞层状结构的复杂性，目前国内外对木材断裂破坏的研究，还仍限于或是应用断裂力学原理，从整体上对木构件的宏观裂纹所产生的力学效应做出定量分析，或是应用显微技术，对裂尖形貌和扩展方式做定性描述，尚不能在两者间建立起联系。

基于细观过程研究木材损伤断裂的唯象学方法，需要首先针对不同形态的木材缺陷与损伤演化模式进行科学界定和归纳，建立能够抓住其主要特征的损伤基本构元体系，这是能够发展木材损伤力学、探明微结构演化与宏观行为关系的关键。然后，在此体系基础上，在细观方法上，根据木材的损伤基元或微细结构的单独力学行为建立细观模型描述损伤的物理过程；在宏观(唯象学)方法上，则通过测试木材试件某种表征物理量的变化来描述损伤的状态和发展，并建立起与之相应的宏观力学现象间的联系。最后，是将两者结合起来，建立起基于细观过程的木材损伤断裂机制，并从中获得构造与强韧关系的新认识。

另外，产生于20世纪末的分形理论也提供了另一条唯象学研究途径。最新的文献表明，材料科学中的分形理论已从对破坏后的断面分析深入到了可用于裂纹形核与扩展的分析(褚武扬，2004)。木材构件内部损伤与微裂纹形核、扩展时，因其弹性松弛而释放出应力波(acoustic emission)，Petri等(1994)研究发现，高分子合成材料的裂纹形核扩展时，其声发射AE的对数积分分布与AE的对数振幅成线性关系，表明用声发射探测到的裂纹形核和扩展是一个分形。Petri的报道对深入木材内部探索裂纹形核与扩展的物理机制是一个很好启示。

总之，木材作为生物复合材料，具有与其他天然材料不同的固有特性。研究木质材料的力学特性和破坏规律、失效过程，在理论上涉及木材学、断裂力学、损伤力学、细观力学、流变学，以及物理、数学和化学，充分体现多学科的交叉和融合，从宏细微观相结合地研究损伤演化与缺陷扩展的耗散过程。木材科学作为研究四大原材料之一的科学，必须与当今其他材料科学的发展相适应，并广泛吸收、应用相关学科新知识，使学科边缘向其他学科不断延伸。通过追踪木材从变形、损伤到断裂破坏的全过程，对裂纹尖端的应力应变分布、界面在断裂过程的作用、裂纹扩展与微观组织结构的关系、微细(甚至纳米)尺寸上的损伤演化过程进行宏细(微)观相结合的描述，揭示木材破坏的机制，并从中获得新的木材构造与其功能相互关系的认识，其意义不仅在于为合理利用木材和木结构安全设计提供依据，更重要的是为今后研制开发能够克服木材缺点、具有特殊强韧性能的新型木基复合材料提供基础理论。