当前，从分子、超分子甚至粒子水平研究材料结构与性能之间的关系已成为材料科学发展的前沿(张联盟等，2004)。木材科学的发展也必须遵循这种研究方法。因为，从宏观上讲，木材作为一种非均质的、各向异性的天然高分子材料，但如从微观角度上来看，这种非均质性及各向异性在一定程度上可以弱化。因此，随着木材和木质复合材料在工程上的广泛应用，木材力学的研究内容也越来越深入，在对木材宏观力学行为研究的同时，也广泛进行了木材细观力学和微观力学行为的研究(张璧光，2004)。

纳米压痕技术是纳米尺度材料性能检测与表征的重要技术，而原子力显微镜(AFM)由于具有很高的空间分辨能力，可实现材料表面原子级别的形貌分析。如何在微/纳米尺度下应用原子力显微镜及纳米压痕技术来研究木质材料成为了国内外不少研究团队探索的热点。目前国内外研究主要包括2个方面(周兆兵等，2008):一是材料表面形貌、相结构的表征，在微米、纳米的范围内获取图像; 二是木质材料细胞壁的力学性能，如硬度、弹性模量和屈服强度的测量。

本文运用AFM技术来分析响叶杨(Populus adenopoda)细胞壁形貌及尺寸特性，并对响叶杨细胞壁表面的纳米压弹性(主要指弹性模量和硬度)进行测试与表征。目的在于获取响叶杨细胞壁的基本特征参数及其微观力学性能，为木材及木质材料复合与功能性改良提供理论支持。

1 材料与方法 1.1 材料与主要仪器

响叶杨，16年生，采自江苏省徐州市铜山张集林场，在胸高1.3 m处切取一5 cm厚的圆盘，直径约30 cm。按年轮划分，响叶杨横截面上由内向外，年轮1~6为幼龄材，7~9为过渡材，10~16为成熟材(李坚等，1999)。相比之下，成熟材的变异性较少，因此本文试件制备用材选取成熟材区的第13个年轮段。由于取自相同年轮，因此可以认为试样具有相似的物理性质和化学组分。

仪器主要为:真空干燥箱、超薄切片机(LKB-2188，瑞典)、原子力显微镜(XE-100型，韩国PSIA公司)、纳米压痕仪(Nano Indenter XP，美国MTS公司)等。

1.2 试样制备

试样包埋:用锋利刀片从第13年轮的晚材部分切取横截面尺寸为5 mm×1 mm、长为5~8 mm的较小木片，用Spurr树脂(Spurr，1969)放入真空干燥箱内进行24 h浸注渗透包埋，待木片均沉入树脂中后将烘箱升温至70 ℃对树脂进行加热固化，时间约为8 h，固化后的样品为长条形包埋块。

试样抛光:由于纳米压痕仪及原子力显微镜测试对试样表面的光洁度有极高的要求，所以包埋块的表面(横切面)需要用超薄切片机抛光。先将包埋块含有试样的一端用砂光机加工成梯形，然后固定在一个圆柱形塑料块上，以便切片机进行夹持。抛光时的进刀厚度为1 μm。

1.3 微观力学性能及表面形貌的表征

本文运用纳米压痕仪进行试件表面微观力学性能测试，并采用原子力显微镜(AFM)来表征其形貌图像。

纳米压痕技术的理论计算方法是1992年Oliver-Pharr提出的，所用的仪器为美国MTS公司的Nano Indenter XP (MTS Systems Corp.，Oak Ridge，TN，USA)，使用的是金刚石Berkovich压头，试样的硬度H和弹性模量E可通过电脑程序直接得出。测试时，直接将抛光后的圆柱体试件固定到纳米压痕仪的样品台上。为了确保有足够的压痕作用于细胞壁，本文中每次试验的压痕数设定为100点(10×10的矩阵，间隔为5 μm)，这样可同时获取样品横截面的各个部位的数据值。在对响叶杨细胞壁进行的每个压痕试验中，弹性模量和硬度的深度预设值均为200 nm。压痕试验的操作程序共分为4个部分(Xing et al., 2008) :将压头以10 nm·s^-1的速度移向试样表面; 以5 nm·s^-1的速度压向试样，直至到达设定的位移深度为止; 在最大位移处保持30 s; 然后以10 nm·s^-1的速度进行卸载。整个试验过程中，温度保持在21 ℃，相对湿度为60%，整个测试过程由计算机控制完成。

原子力显微镜表征纳米压痕形貌图像时，直接将其用双面胶固定在钢制样品垫上，再放置在样品台上(磁铁固定)进行扫描。AFM图片获取后，再利用AFM配套图像分析软件(XIE1.5)进行处理分析。得到原始的形貌图像之后，图像处理主要步骤如下:第1步是斜度校正(slope correction)，为的是消除样品倾斜或弯曲(极小程度)造成的图像失真，通过软件的拉平(flatten)功能可以方便地消除x，y方向的图像倾斜; 第2步是消除噪声，保证图像的真实性; 第3步根据需要还可以对图像进行滤波、放大、灰度转换、改变像素以及切面、输出3D图像等操作。处理图像结束后得到了相对真实的表面形貌图，再直接进行分析。图 1是一组木材横切表面斜度校正处理前后的表面形貌图(扫描速率与扫描力分别为0.5 Hz和1.08 nN)。

2 结果与讨论 2.1 响叶杨细胞壁表面形貌及其厚度、长度等特征参数

图 2，3为AFM扫描的响叶杨表面形貌图及细胞壁厚度、长度尺寸测试图。此处，细胞壁厚度是指包含S₂至S₃层各层的细胞壁的横向有效宽度，而细胞壁长度则表示包含S₂至S₃层各层的细胞壁两拐点间的纵向有效距离。仿照正六边形外接圆的原则，细胞外径是指各细胞最大边界间的直线距离，如图 4所示。表 1为响叶杨细胞壁的基本尺寸统计。由表 1可知:所测响叶杨细胞横截面的壁厚尺寸为1.126~3.082 μm，平均尺寸为2.230 μm; 壁长为3.195~19.004 μm，平均尺寸为9.498 μm; 细胞外径为9.023~26.802 μm，平均尺寸为19.723 μm。冯冰(2007)测量了文县响叶杨的基本尺寸分别为导管壁厚2.6 μm，平均木纤维长1 209 μm，宽21.05 μm，长宽比57.4，壁厚2.37 μm，胞壁直径16.3 μm，壁腔比0.291。比较而言，本文的测量数据较为合理。

2.2 有效压痕的确定及细胞壁弹模与硬度的评价

由于细胞壁厚度较薄，纳米压痕点的设定是固定的，因此并不是每个压痕都可以精确无误地打在细胞壁上，有的压痕会落在细胞腔或胞间层中的树脂上，有的则会落在S₂与S₁或S₃层的交界上。各个压痕点的数据不一，需要对有效压痕进行分析，以判断哪些压痕点的实测值能正确定评价细胞壁的弹性模量与硬度。

众所周知，木材的微观结构中，细胞壁的S₂层占整个细胞壁厚度的80%左右，并且具有较小的纤丝角，对细胞壁的纵向弹性模量起支配性作用(Fengel et al., 1973)，因此S₂层上的弹性模量与硬度应该比其他部位上的更有意义。

图 5所示为响叶杨细胞表面压痕形貌图(扫描速率与扫描力分别为0.25 Hz和0.307 nN)。由图示分析可知，可以把样品表面划分为细胞壁S₂层区A、胞腔内外树脂区B和S₂层与S₁或S₃交界区C等3个区域。所统计的压痕点的数量及数值见表 2。

由表 2可知，3个区域的平均压痕值比较如下:弹性模量分别为区域A (18.52 GPa) >区域C (15.19 GPa) >区域B (6.48 GPa)，而硬度分别为区域C (482.37 MPa) >区域A (478.59 MPa) >区域B(230.02 MPa)。无论是弹性模量值还是硬度值，区域B(树脂)处均为最小的，因此可以说明，所浸渍的树脂不会对木材细胞壁的压弹性产生影响。这一点和Wimmer等(1997)、江泽慧等(2004)的观点一致。弹性模量值比较中，区域A(S₂层)最大，而硬度值比较中，区域C(各交界处)最大。原因可能在于:木材细胞壁纵向压弹性中的弹性模量高度依赖微纤丝角(Wimmer et al., 1997)，而其硬度和木材密实程度是正相关的(Bodig，1965)。区域A(S₂层)处的纤维素微纤丝排列较规则，而区域C(各交界处)处较复杂。因此可以认为S₂层上的压痕具有研究意义，有效的压痕应该是位于S₂层上的压痕，即大约位于细胞壁的中部。分析细胞壁的纵向弹性模量和硬度应以S₂层上的压痕测试为准，即落在S₂层上的压痕数据均为有效测试值，各点的测试值平均后可作为细胞壁力学性能的代表。

根据表 2可知:响叶杨细胞壁S₂层上的平均弹性模量和硬度分别为18.52 GPa和478.59 MPa。Wu等(2009)采取同样的的仪器和方法对同样的响叶杨进行了测试，所取得的平均弹性模量和硬度分别为16.9 GPa和490 MPa。相比较而言，硬度值是合理的，但弹性模量值偏大。原因可能在于纳米压痕性能中的弹性模量受微纤丝影响较多(Wimmer et al., 1997)，Wu等(2009)的弹性模量不仅包括S₂层上的压痕数据，还包括了S₂层与S₁或S₃交界区上的压痕数据，后者的数据值较低，从而使得平均值降低了。而纳米压痕性能中的硬度则和细胞壁的密实程度正相关(Bodig，1965)，因此，相比较而言，硬度值相差不大。

3 结论

本文利用原子力显微镜对响叶杨细胞的特征参数与形貌进行了分析，并对响叶杨细胞壁表面的纳米压弹性进行了测量。原子力显微镜所测得响叶杨细胞横截面的壁厚尺寸为1.126~3.082 μm，平均尺寸为2.230 μm; 壁长为3.195~19.004 μm，平均尺寸为9.498 μm; 细胞外径为9.023~26.802 μm，平均尺寸为19.723 μm。通过原子力显微镜对响叶杨细胞表面压痕形貌图的分析，响叶杨细胞壁S₂层(即大约位于细胞壁的中部)上的压痕点为有效测试值，其平均弹性模量和硬度可以用来代表细胞壁的纵向硬度和弹性模量，即所选择的响叶杨的细胞壁平均弹性模量和硬度分别为18.52 GPa和478.59 MPa。