关于木材介绍

[拼音]：mucai

[外文]：wood

主要指木本植物维管组织的次生木质部。单子叶植物大多数没有次生木质部。少数单子叶植物的初生木质部是由经过增大、加厚并木质化的细胞构成的，也有利用价值，如竹竿、椰子树干等。双子叶植物中的草本植物虽有次生木质部，但其量甚微。木本裸子植物和被子植物中的一部分双子叶植物，其次生维管形成层通过年复一年的周期性活动，不断形成大量次生木质部，而初生木质部仅局限在髓心附近，因此具有利用价值的是次生木质部。由裸子植物如松树、杉木等获得的木材称针叶树材;由一部分被子植物中的双子叶植物;如杨树、榆树等获得的木材称阔叶树材。前者的锯材材面少花纹。如木材密度近似，前者的力学性质除抗剪强度和抗劈力外，其他一般超过后者。

木材是森林的主产品，具有重量轻，强重比大，易于加工成各种形状，对电、热的绝缘性能好（尤其是干木材）等特点，有的并具有美观的花纹和雅致的颜色。史前期人类仅利用木材燃烧时发出的热取暖；以后逐渐用以造舟、车、器械、日用品以及修建船坞、码头、桥梁、房屋等。近代由于木材化学的发展，木材利用范围扩展到纸张、纺织品、塑料以及上千种化学药剂和提取物的制造或浸提，用途十分广泛。木材用作建筑材料时大多有不耐腐、不抗蛀蚀、吸湿性、易燃烧、有木节和斜纹理等天然缺陷，可通过防腐、阻燃、塑合等处理提高其材质和利用价值。

木材构造

木材中各类细胞或组织的性状、构成、配列、变异和比量对木材的性质、加工和利用有密切关系。一般根据树木生长的方式和木材细胞的配列，从横、弦、径 3个切面研究木材的特性和利用。与树干长轴成直角的锯切面称横截面(或横切面)，如原木的端面；沿原木的长轴、平行于木射线、且常与生长轮成直角的纵向锯切面称径切面；与木射线成直角的纵向锯切面则称弦切面。通常弦面比径面较易刨光，但胀缩性较大，光泽性也往往较差。

木材构造可因观察层次的不同而分为粗视构造、显微构造和超显微构造等。

木材的粗视构造特征用肉眼或放大镜(10倍)就可看到，以横截面为最重要，适于生产上鉴别木材之用。主要包括：

（1）生长轮。即木材由于定期生长，而在横截面上呈现的一层层生长层。如一年只长一轮则称年轮。由于树木过老，树冠不完整或树木生长太慢，只在树干局部形成生长轮，称断轮，如圆柏；由于落叶、干旱等原因，在早材带内出现貌若晚材带的带，称伪轮或假年轮，如杉木。近髓心的木材称幼龄材或中心材、髓心材，远离髓心的部分称壮龄材或成年材、成熟材。幼龄材力学性质差，不适于做建筑用材。在生长季节，有些树种生长轮内首先形成，细胞较大、较疏松的部分称早材（又称春材）；而晚些时候所形成的部分情况相反，称晚材（又称夏材或秋材）。生长轮的宽度和明显度因树种、树株、部位和生长条件等而异。针叶树材的生长轮通常都较明显，但早、晚材带之间的差别有渐变（如红松、杉木等）和急变(如落叶松、马尾松等)之分。有些阔叶树材（尤其是生长在热带的），其生长轮界则往往难于判断。生长轮在弦切面上呈倒∨或倒∪字形，径切面上呈轴向平行条纹。英、美等国通称针叶树材为软材，因其不具管孔（导管），又称无孔材；另称阔叶树材为硬材，因除个别树种如水青树、昆栏树等外均具管孔，又称有孔材。若木材的早材管孔显著大于晚材，而且形成明显的带或轮，称环孔材；反之，若在整个生长轮内管孔的大小相近和分布均匀，或仅稍有变化，称散孔材;介于二者之间的中间型则称半环孔材。在这3种生长轮类型中，晚材管孔(指环孔材)或管孔的配列有分布比较均匀或均匀散生或分布不均匀等多种弦列和径列（辐射）形式。

（2）边材和心材。树干外部的木材对树木既起机械支持作用，又具有生理功能，称边材，材色通常较浅；内部无输导与贮藏机能，同时贮藏物已不存在或转化为心材物质的部分，称心材，通常色较深。有一部分树种，如冷杉、杨树等的心材、边材颜色虽无区别，但内面部分的木材已无生活机能，称熟材。

（3）木射线。指木质部内的射线。在横截面上径向伸展，径切面上横过木纹呈斑块状或条状，弦切面上呈纵列短条状。针叶树材的木射线通常不易看见。

（4）轴向薄壁组织。指形成层纺锤形原始细胞所形成的薄壁细胞，沿树轴方向排列。仅见于阔叶树材，如黑黄檀等。

（5）胞间道。包括树脂道和树胶管。正常胞间道见于针叶树材的松树、云杉、落叶松、黄杉、油杉、银杉等属，以及阔叶树材的龙脑香、柳安、坡垒等属。这类树种和一些不具正常胞间道的树种（如铁杉、枫香等属可因活树受伤而形成创伤胞间道）常在横截面早材带内排列成长弦线，对识别木材和选择用材有帮助。单板和成材的弦面和径面上因生长轮、木射线、纹理走向等形成的图案和色班，常使木材富于装饰特性。

借助显微镜观察木材切片的细胞和组织特征，可见针叶树材主要由管胞、木射线和木薄壁组织组成，阔叶树材主要由导管、木纤维、木射线和木薄壁组织组成。

（1）管胞。在针叶树材内比量最大，平均占90%以上，在横截面上整齐径列成行（银杏略欠整齐）。少数针叶树，如松树、银杉、落叶松、云杉、黄杉、雪松、铁杉等属的木射线内尚具径向排列的射线管胞。有些阔叶树如木麻黄、麻栎、青冈、铁刀木等还具有环管管胞；榆树、朴树等属和水青树则具维管管胞；水青树、昆栏树等个别阔叶树种也如针叶树材一样，全具管胞，不具导管。

（2）导管。世界上除已知约10属以上的阔叶树材不具导管而具管胞外，导管为组成阔叶树材的主要成分之一。导管直径的大小，管内侵填体、树胶等堵塞的程度，均影响木材浸注、干燥处理和制浆蒸煮等的效果。

（3）木纤维。指位于木质部的韧型纤维和纤维管胞（应用上通常还包括管胞）。壁厚，腔窄，平均长1毫米以上，主要功能为机械支持，与上述管胞同为纤维工业的主要原料，其含量的多少直接影响木材的经济效益。

（4）木薄壁组织。指位于木质部的轴向薄壁组织和径向薄壁组织或射线薄壁组织。轴向薄壁组织沿树轴排列，除纺锤形薄壁细胞外，多以薄壁组织束形式存在。其数量和配列因树种而异，针叶树材中仅少量地见于柏科和杉科的一些树种以及松科的银杉等，阔叶树材则除个别树种外一般均有分布。径向薄壁组织为构成木射线的主要组织。阔叶树材的木射线全由薄壁细胞组成，针叶树材的木射线有的尚具射线（或径向）管胞。

（5）胞间道。分轴向和径向两类，为细胞之间的一种胞间隙树脂或树胶的贮藏所。四周的薄壁细胞有泌脂或泌胶的功能，如硬木松类的树种可分泌松香、松节油等工业或药用原料等。

利用X射线、电子显微镜等可揭示光学显微镜所不能揭示的超微构造或超微结构。木材的粗视至超微构造可图解成下图。木材细胞壁由胞间层、初生壁和次生壁构成。在电子显微镜下，次生壁又明显地分为外层(S1)、中层(S2)和内层(S3)。胞间层主要为木质素，其作用是将胞壁粘在一起。初生壁仅含5～10％纤维素，主要为半纤维素和木质素。木材的纤维素主要集中在次生壁上，壁的外层和内层都很薄，中层最厚，占次生壁厚度的70～90％，由数十或一百多层薄层构成，对材性的影响最大。一般认为微纤丝是细胞壁的最小构造单位（直径25纳米）。但也有人认为细胞壁的最小构造单位为基本纤丝（直径3.5纳米），以氢键结合，由近40根平行纤维素链组成，由基本纤丝束形成微纤丝，再集聚则成纤丝或大纤丝，此说尚有争议。每根微纤丝包含晶区和非晶区（或无定形区）。晶区的晶胞由两个纤维二糖基（即 4个葡萄糖基）构成。细胞壁的化学组分主要为纤维素(50％)，半纤维素(20～25％)和木质素(15～25％)；前者为组成细胞壁的骨架，后两者填充于微纤丝之间。此外，尚含少量次要成分包括提取物 (3～10％)和灰分(0.1～0.5％)等。针叶树材的木质素含量较阔叶树材的高，半纤维素则相反，纤维素通常无差异（见木材化学）。

木材性质

除木材的基本性质如物理、力学和化学性质外，广义的木材性质尚包括木材加工、处理等工艺性质。

指不借外力作用或化学变化而测定的木材性质。

（1）密度。指单位体积木材的质量，即木材的质量与体积之比（克/厘米3，过去称容积重）。生产上按千克/米3计算。因含水率不同而有气干密度、基本密度、生材密度和绝对密度(后者含水率在理论上为零)之别，常用的是气干密度和基本密度。密度通常为衡量木材强度的标志，也是预测林木材质的重要因子，能影响木材的胀缩、力学、加工、处理性质和利用。中国木材以引种的轻木最轻，南方产的蚬木最重。除含水率外，树株、部位、树龄、生长环境等也都会影响木材的密度。

（2）吸湿性。木材中的水分存在于胞腔和胞壁中，分别称作自由水和吸着水。后者又分吸附水和毛细管凝结水，对材性有很大影响。吸着水在胞壁内达到饱和，而自由水在胞腔内理论上为零时的含水率，称纤维饱和点，其数值因树种而异，一般约为30％。木材吸收或蒸发水分(即吸湿与解吸)与四周空气的相对湿度和温度相适应时的含水率，称平衡含水率，在中国通常采用15％。含水率变化时，木材的尺寸、重量、耐腐、抗蛀、胶粘、涂饰、机械加工、物理及力学性质、干燥及防腐处理等均受影响。

（3）胀缩性。木材随温度的增减而胀缩，但数值甚微，在 0℃以上时一般可略而不计。水分的变化，特别在纤维饱和点以下时对木材胀缩的影响则很大。木材为各向异性材料，其轴、径、弦 3个方向的胀缩值不同：轴向最小，应用上可略而不计；弦向最大；径向约为弦向的1/2 。木材胀缩性又随密度的增加而增大，提取物含量多时也可降低胀缩性，应力木的轴向胀缩性则因而显然增大。木材常因干缩湿胀而改变尺寸，产生变形和其他干燥缺陷，如开裂、内裂、皱缩、表面硬化等，致使木材和木制品的利用价值降低。木材锯解后，进行及时和适当的干燥处理、化学药剂浸注（如胶压木、浸渍木、塑合木等），或用涂料涂刷等，均可使木材尺寸的稳定性获得改进，尤以采用化学药剂浸注法的效果更为显著。

（4）声、电、热的传导性。木材不仅能在敲打时发声，而且还会扩大、吸收、反射或阻隔其他物体产生的声音；因此可根据各种木材的声学性质，选作乐器、隔声等的材料。衡量木材传声性质的好坏有声速、谐振、振动频率、生长轮宽度、密度、声辐射品质常数、对数缩减量、动d性模量、吸声系数等指标。通常密度大、d性模量高或厚而短的木材，其振动频率高，所以长短不同的红木木条可选用以制作木琴。声辐射品质常数高、声阻抗低和对数缩减量小的木材如泡桐和云杉，最适宜作乐器音板。飞机螺旋桨、机床垫板等则需利用对数缩减量高的木材，以减低机器的震动。演奏厅、播音室等建筑可用木材，特别是木质空心结构或软质纤维板等作墙板，以利用其吸声特性降低噪声、回音，增强音响效果。木材的斜纹、腐朽、虫害等缺陷能影响木材的振动特性，可用无损试验加以检验。

木材最重要的电学性质为电阻和介电性质。直流电阻是木材导电性质的一个重要指标，用电阻率表示。干材的电绝缘性优良，适于作电杆和横担、枕木、工具柄等;但随着水分的增加其电阻率有很大的变化，可用电阻式水分测定仪测定。木材的轴向电阻远比横向的低。温度低、密度小时电阻增大。在交流电场中，木材介电质的电容量与同一电容器内真空介电质的电容量之比称介电常数，在木材高频加热及作为绝缘体时有重要意义。利用介电常数与水分的关系可设计出电容式水分测定仪。介电质材料每振动一周时消耗的功率与贮存于电容器内总功率的比，称功率因数。设计高频干燥及高频胶合时，即需利用功率因数以计算功能的消耗。

木材的导热能力很小，适于用作房屋建筑、把柄等隔热材料。木材导热性轴向比横向大，并随密度和含水率的增大而增加，因此轻木、泡桐等轻质木材的隔热性能较好。单位质量的木材每增减 1℃时所需的热量称木材比热。它与温度、湿度成正比，生产上用以计算木材加热处理如蒸煮、干燥、防腐时所需的热量。

指构件或结构木材能支承载荷的所有性质。材料抵抗载荷所产生的力称应力。当木材承受最大载荷而破坏时测计的应力称强度，主要包括抗弯强度、冲击韧性、顺纹抗压强度、抗剪强度和抗拉强度。物体对应力反映的状态，根据其变形来计量，称应变。无量纲在木材的比例极限内，应力变量与应变变量之比称d性模量，用以表示木材的劲度。木材用作梁材时，要考虑抗弯、抗剪强度及d性模量；用作桥梁、枕木时，要考虑抗弯、抗剪、横纹抗压强度，硬度以及冲击韧性；用作桥梁拉杆、车辕木等时则要考虑抗拉强度。木材作为一种各向异性材料，其力学性质要比均质材料复杂得多，且因树种、树株、部位、含水率、生长环境、缺陷、载荷持久及温度等而异。木材水分在纤维饱和点以下时的力学性质随含水率的减少而增高。木材缺陷对木材强度的影响主要是木节、斜纹理及开裂等，是在确定木材质量标准或设计时必须考虑的因素。木材在长期载荷下其变形逐渐增加。若载荷很小，变形增加经一定时间后即停止；当载荷超过某一限度时，则变形可随时间不断增加直至使木材破坏。这一性质当木材用作承重构件时尤须加以考虑。

测定木材强度的试样通常以无疵小试样为准，从测得的强度均值减去2.33倍均方差，即得统计最小值。然后扣除长期载荷、偶尔超载荷及试样的尺寸和形状等因子，所得数值称无疵木材的基本应力。如再扣除斜纹理、木节、开裂等缺陷因子，便得容许应力，即计算承重构件长期安全载荷所依据的容许应力。

木材由于树种及其构造和各种固有性质(物理、力学、化学)的差异，在加工过程中所表现难易程度不一，并对加工工艺性质，主要包括切削性质、干燥性质、胶合性质、涂饰性质等产生决定性影响，例如木材的吸湿性和体积稳定性影响木材制品的加工精度及部件互换性，木材的握钉力影响木结构设计及装配工程。木材构造不同，致使部分水分移动的状态互异，影响干燥的工艺基准；木材的湿润性、渗透性及提取物对胶合有重要影响，半纤维素含量高的阔叶树材对硅酸盐类无机胶粘剂有阻碍效应，等等。

木材分级

指锯材按质量划分等级，通常按其表面可见的各种缺陷的大小和多少加以划分，称直观分级。为使木材利用简化和经济，将应力近似的锯材列为同一等级，称应力分级。实际上直观分级也是最早的应力分级。近年来木材质量和强度的无损检测有较大的发展，应用电子装置根据测定木材的自振频率或传声速度，计算出木材的d性模量，据此测出木材相关的抗弯或抗压强度。另外，木材机械应力分级装置，已经在某些工业范围内采用，其原理是在固定载荷下测定结构木材的d性变形，然后自动换算为d性模量及其相关强度。木材通过此种装置测定后，其等级或强度即自动打印于材面。

参考书目

1. Franz F.P.Kollmann，and W.A.Cté，Jr.，Principles of Wood Science and Technology，Vol I， Solid Wood， Springer-Verlag，Berlin，1968.

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