国内外木材干燥应力研究现状及发展趋势。

1．1 实验测定

50年代，由Mcmillen[1]早提出测量干燥应力的方法——分层切片法。该法原理
可靠，便于对木树厚度方向的干燥应力应变分布规律进行深入分析；是测定木材干
燥应力的经典方法，特别是在研究中被广泛采用。在50年代还提出了梳齿型法，可
对干燥应力进行定性研究，主要运用于干燥实践。t972年，西尾茂L2’发明了卡普
法，这种方法操作简单，测量迅速，但它只定性表征木材表层干燥应力的变化情况
，不能在厚度方向对干燥应力应变进行深入研究。以上几种方法都具有一些共同缺
点，如测量方法原始粗糙，人为误差大。特别是分层切片法，其制作过程相当繁琐
。近10年来，随着一些新的测试仪器和技术引入木材干燥研究领域，出现了一些新
的木材干燥应力测试方法。StohrE：’提出了一种能连续、无损地测量木材干燥应
变的新方法——差异干缩法，它是基于干燥应力对干缩的影响随板的宽度减小而减
小的假设基础之上的。Skaa[4]探讨了用声发射法间接监测高水平应力的可能性。
它是通过测量干燥时木材轻度开裂而释放的弹性波的大小和频率来判断木材干燥应
力的状况，因此从理论上说，这种方法可以实现干燥过程应力的连续监测，但由于
干燥过程和环境的复杂性，声发射在预测开裂方面的效果还有待于检验。常建民等
在卡普法的基础上进行了非接触式测试木材干燥应力方法的研究，取得初步的研究
成果。此外，Willam L．JamesE[5]还探讨了通过测量木材介电常数间接估计木材
干燥应力的可行性。值得一提的是，近PerryL[6]运用栅格接触式传感器
次对木材干燥应力进行了在线测定。该装置不仅能定量地压缩应力的大小，还
可把压应力的发展变化从监视器上以图示的方式表现出来。但是，该装置目前对拉
伸干燥应力的在线测定无能为力。

1．2 理论计算

鉴于实验测量应力困难重重，70年代以来，许多学者致力于用数学模型计算干燥应
力。Ash—worth[7]则通过收缩应力与热应力的类比，利用有限差分法和连续迭代
法对木材的干燥应力进行了计算。Kawai[8]用粘弹性各向异性应力应变关系描述了
木材的流变性质，建立了包括自由干缩率、实际干缩率、非弹性应变三个参数在内
的应力函数．Morgan[9]则利用有限元法计算了木材的干燥应力，并成功地模拟了
干燥过程中的应力转变现象。Ugolev和Skuratow[10]也提出了能够计算干燥应力和
木材残余形的数学模型。值得一提的是，ChenGE“’等人建立了松属边材在高温干
燥条件下的水分移动与应变模型，模型中考虑了机械吸湿应变和延迟弹性应变。但
由于实际干燥过程的复杂性，以上各模型都基于不同程度的假设之上，因此计算所
得往往与实验所测数值相差较大。尽管如此，数学模型还是为我们提供了一条可连
续定量计算干燥应力的途径。而国内的学者在这一方面研究不多，只见于李维桔E
122的”木材弹性及木材干燥应力”一文。他根据热弹性理论推导了本构方程和平
面干燥应力的有限元计算公式，并计算和测定了水曲柳板的干燥应力。

2 木材干燥应力应变理论

在干燥应力应变理论研究方面，国内外学者主要运用切片法针对不同的树种，研究
其在干燥过程中应力应变变化规律以及影响应力应变的因素。例如，滕通濂等[13
]在不同温度和平衡含水率的条件下研究了南方阔叶材干燥初期的应变特征，认为
干燥初期的表层伸张弹性应变是产生表的主要原因，而表层塑性变形引起的表面硬
化则是干燥后期产生内裂的原因。一般来说，温度越高，木材表层产生大拉伸应
变的时间越短，且应变值随着温度的增大而增大，层干燥后期的大拉伸应变值也
随着温度的升高而增大。国内对干燥应变的研究大多笼统地把干燥应变粗分为瞬时
弹性应变和塑性变形，对干燥过程的流变特性的研究并不深入，而则在10年以
前就开始把流变力学和断裂力学用于分析干燥过程的应力应变。他们把干燥过程的
应变细分为四种，即木材失水而特有的自由干缩应变(没有干燥应力或应力很小)和
干燥应力引起的瞬时弹性应变、粘弹性蠕变应变、机械吸湿蠕变应变。由于细分这
些应变并分别对它们进行深人研究有助于建立较为和适用性较广的干燥应力应
变模型，且对干燥实践也有一定的指导意义，因此学者进行了大量研究。例如
，Wu Q.[14]用小试样方法，模拟干燥过程对木材的流变行为进行了验证。从检索
的文献来看，目前对木材干燥过程流变的研究通常是采用小试样方法，通过对它施
加不同水平的应力，同时控制小试样的温度和含水率来模拟干燥过程的流变。这种
方法便于建立木材流变与其影响因素如应力、温度、含水率之间的关系，从而为研
究干燥过程木材的流变提供理论基础，而直接基于干燥过程的木材流变研究尚未多
见。

在干燥过程的应力释放或消除方面，学者研究较多，主要是研究蒸汽预处理对
干燥应力的影响。研究表明，蒸汽预处理使木材的干燥时间显著减少，但会使表层
干燥应力的峰值有所增大，尽管在整个干燥过程，其应力值是下降的。此外，处理
材表层、内层出现应力峰值早于未处理材。国内的学者在这方面也做了一些工作，
如丽宇等[15]。一般认为，汽蒸预处理之所以能从总体上减小木材的干燥应力，
是因为它使干燥过程中的木材水分移动速度加快，从而减小了木材厚度方向的含水
率梯度。此外，干燥前木材通过热水或化学药剂抽提处理也可达到与蒸汽处理相似
的效果。

此外HaiuHwaWang与RoberL.Youngs[16](1996)还从微观的角度研究了木材开裂与干
燥应力之间的关系，所用的试材是橡胶木。研究表明，当干燥应力超过木材的抗拉
强度时，木材出现开裂，其中多列木射线对开裂起主要作用。此外，单列木射线和
厚壁细胞也对开裂有定的影响。他可加深我们对干燥物理过程的理解；2)干燥过程
中木材内部产生的干燥应力是产生各种干燥缺陷，如端裂、表裂、内裂，以及被干
材在加工过程中产生弯曲、变形的直接原因，因此弄清干燥过程木材的应力应变发
展变化规律是消除这些缺陷的根本途径；3)干燥应力应变的研究可为制定以含水率
或时间为基准的干燥工艺提供科学据，使我们在保证干燥质量的前提下，大限度
地提高干燥速度。甚至应力有可能取代含水率或时间干燥基准，成为一种全新的干
燥工艺控制参数。总之，一旦干燥应力的研究取得重大突破，必然会对木材干燥行
业产生革命性影响。

1 木材干燥应力的实验测定和理论计算

鉴于干燥应力应变研究的重大理论和实践意义，学者早在50年代以前就对其进
行研究。但由于木材本身结构及其干燥过程弹性参数变化的复杂性，其独特的干缩
湿胀性能，以及干燥环境的恶劣，使许多用于测量金属应变的仪器和方法

作者：余雁(1975—)，中国林业科学研究院在读博士。们认为由于木材的不连
续结构，使木材在干燥过程很容易出现应力集中，从而导致木材开裂。

3 分析与讨论

分析上述几种应力测试方法，可见目前在生产和科研上被较广为接受的方法是分层
切片法、梳齿型法、卡普法以及计算法。其他的一些方法如声发射法、差异干缩法
等仍处于研究探索阶段。分层切片法作为应力应变测量的经典方法目前在研究中占
主导地位。它不仅可以测出干燥过程木材的弹性应变，还能测出于燥过程的粘弹性
蠕变和机械吸湿蠕变，并且能在厚度方向对应力应变进行分析，因此适合于科学研
究。但这种方法制作过程繁琐，且不能实现干燥过程的应力连续测定。而卡普法则
使应力的连续测定成为可能，但根据拱高求出的应力与实际情况会有差异，因此需
要进行修正。计算法有通用性强，方便快捷的优点，随着计算机的普及，数值计算
方法的进步，木材物性测试方法和手段的提高，此种方法具有很大的发展前途，但
是要达到实际应用程度将要经历较长的一段时间。对于干燥过程的应力发展变化趋
势，国内外学者早已达成共识。干燥温度、相对湿度对应力的影响，大家的观点也
较一致。目前学者致力于用流变力学研究干燥过程木材的流变性质，我国在这
方面的研究尚不多见，有必要对这方面进行系统研究。此外，国内外从微观的角度
对干燥过程木材的破坏研究也不多，因此这方面的研究应加强。

4 展望

由于干燥应力应变的研究囊括了干燥过程复杂的物理变化，包括水分的移动以及
木材内部结构的变化等等，它的研究突破将会对木树干燥产生革命性的影响。一方
面可使人们从物理本质上理解木材的干燥过程，另一方面将会在木材干燥实际生产
中引起一场革命。因此今后国内外对干燥应力应变的研究将会进一步加强和深入。
目前，制约干燥应力应变机理研究的一个重要原因就是缺乏好的干燥应力应变测试
方法。因此探索寻求新的干燥应力应变测试技术，特别是能够自动、适时、在线、
连续地测试木材干燥应力技术是今后研究的重中之重。但是，由于目前木材基础研
究和测量科学则问限性，预计在今后相当长的时间内不会出现令人满意的应力测试
方法，因此对传统的应力测试方法做一些改进和完善很有必要。对于切片法，研究
的重点应放在如何减少制作和测量过程的误差。同样对卡普法应重点研究如何准确
、连续地测量其矢高。目前，衡量应力的大小一般用具体的应力值，这在研究中很
不方便，且误差较大，主要表现在：1)应变在测量上有很大困难，且误差大；2)弹
性模量不恒定，其值随温度和含水率的变化而变化。因此探讨其他的可以用来表示
应力大小的参数很有实际意义。例如用差异干缩值作为表征应力大小参数的可行性
值的深入研究。此外，应努力寻求建立可靠性好、适用性广的应力应变数学模型，
借助现代计算机及计算方法的发展动态地模拟木材干燥过程的应力应变的发展变化
。这不仅可加深我们对干燥应力的理解，而且对实现以干燥应力为监控参数的干燥
过程的自动控制意义重大。而好的应力模型涉及的因子很多，例如含水率梯度、水
分扩散系数、木材弹性参数、木树干缩系数，以及蠕变、机械吸湿应变等各种应变
，因此对这些因子的测定和计算的研究进一步深入。此外，把流变力学理论引
入对干燥应力应变的研究中将是今后的研究方向。