Accoustic properies of wood revealed using nanoindentation with small additional oscillating load.pdf Помимо прочностных, тепловых, трибологических, биохимических характеристик различных видов древесины зачастую требуется знание и ее акустических свойств (при звукоизоляции помещений, придании им заданных акустических качеств, в создании музыкальных инструментов и т.д.). К настоящему времени не существует общепринятых методов оценки и отбора образцов древесины для акустических применений кроме экспертных оценок качества готового продукта. Поэтому весьма актуальны поиски и адаптация физических методов характеризации древесных и деревосодержащих материалов, планируемых к использованию в качестве акустических. В физическом материаловедении для решения подобных задач широко используют методы внутреннего трения, динамического механического анализа и другие колебательные и акустические подходы. Но они носят макроскопический характер и не позволяют определять необходимые характеристики в нано- и микрошкале размеров структурных элементов сильно гетерогенных материалов (в частности, древесины). Кроме того, эти методы требуют подготовки специальных образцов, вырезанных из массива. Для характеризации упругих и вязких свойств структурных компонентов различного масштабного уровня (от нано- до макро-) в работе применен модифицированный протокол нагружения и регистрации откликов материала при наноиндентировании, который носит название Continuous Stiffness Measurement (CSM) [1, 2]. Эпизодически метод CSM привлекался для изучения вязкоупругих свойств клеточных стенок древесины [3, 4]. Он предусматривает наложение на основную квазистатическую нагрузку P(t), вызывающую погружение индентора в материал, дополнительных малоамплитудных тестирующих гармонических осцилляций (обычно с амплитудой 2-8 нм и частотой от нескольких десятков до нескольких сотен герц). Синхродетектор непрерывно фиксирует осцилляции приложенной гармонической силы F(t) = F0sin(ωt) и вызываемых ею осцилляций индентора h(t) = h0sin(ωt - ), а также угол фазового сдвига δ между ними. Программа обработки первичных данных, регистрируемых наноиндентометром, позволяет получить значения комплексного числа жесткости E* = ES + iEL и его компонент - модуля упругости ES и модуля потерь EL, а также тангенса угла механических потерь tgδ при текущем значении основной нагрузки P(t) [4-6]. Соотношение упомянутых векторов в комплексной плоскости показано на вставке рис. 1, а. Согласно [1, 5], (1) где S - жесткость в контакте индентор - образец; Ас - площадь контакта; - круговая частота; D - коэффициент демпфирования; ν - коэффициент Пуассона. Отсюда непосредственно вычисляются и . (2) В работе исследованы вязкоупругие свойства микроструктуры древесины сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) столетнего возраста, произраставшей в условиях Центрально-Черноземного региона России. Пробоподготовка поверхности поперечного спила заключалась в высушивании образцов размерами 30 30 10 мм в естественных условиях до влажности 12%, шлифовке поперечного среза и последующем удалении приповерхностного слоя микротомом. Наноиндентирование производилось в слой ранней (весенней) и поздней (летней) древесины годового кольца роста, соответствующего 2012 г. Экспериментальные данные получены на наноиндентометре G200 («Agilent», USA). Возможность исследования разномасштабных структур древесины обеспечивалась широким диапазоном основной квазистатической испытательной нагрузки P(t) с трапецеидальным профилем и Pmax от 0.1 до 2000 мН, чему соответствовала область деформации глубиной h ≈ 0.05-25 мкм и латеральными размерами D ≈ 7h ≈ 1-100 мкм. При малых нагрузках (Pmax < 1 мН) величина D была значительно меньше толщины клеточной стенки W (обычно W = 3-5 мкм), так что полученные данные относятся к материалу стенки без влияния на них ее границ. При больших нагрузках (Pmax > 100 мН) в деформацию вовлекалась клеточная архитектура, состоящая из 10-25 клеток. В результате мода деформации менялась, и помимо внутренних свойств материала клеточной стенки большую роль начинала играть потеря устойчивости высокопористой структуры древесины. Эти обстоятельства сближали условия испытания с макроскопическими. Во избежание влияния на процесс деформации и механические свойства объекта дополнительной нагрузки, осциллирующей на частоте ω = 300 с-1, цепи обратной связи прибора обеспечивали амплитуду деформации h0, вызванной этой нагрузкой, на уровне ~ 2 нм. Основные результаты испытаний показаны на рис. 1. Из них следует, что пока область необратимой локальной деформации не выходит за пределы клеточной стенки (D < W), модуль потерь EL и коэффициент механических потерь (тангенс угла δ между векторами нагрузки и деформации) имеют большую величину. В пределах погрешности измерений они неразличимы для ранней и поздней древесины. При большой нагрузке и латеральном размере области локальной деформации возникает разница между ними, достигающая нескольких крат. Модуль упругости ES как ранней, так и поздней древесины меняется с ростом D несколько слабее и немонотонно. Также, будучи неразличимы при D < 1 мкм, они падают в несколько раз при D > 100 мкм и начинают существенно различаться. Совокупность этих данных говорит о схожести структуры и вязко-упругих свойств материала клеточных стенок в слоях ранней и поздней древесины и смене моды необратимой деформации при увеличении нагрузки и вовлечении в деформацию большого ансамбля клеток, что сближает условия тестирования с макроскопическими. При этом ранняя древесина демонстрирует гораздо более сильный размерный эффект в вязкоупругих характеристиках, чем поздняя. Рис. 1. Зависимость модуля потерь ЕL (a), модуля упругости ES (б) и коэффициента (тангенса угла) механических потерь tgδ (в) от латеральных размеров D области локальной необратимой деформации в сосне обыкновенной (Pinus sylvestris): 1 - поздняя древесина, 2 - ранняя древесина Таким образом, описанный подход и полученные данные могут быть использованы для объективного количественного обоснования выбора древесины для акустических приложений, а также управляемого выращивания и модифицирования древесины в целях придания ей желаемых демпфирующих и звукопоглощающих характеристик путем регулирования клеточной структуры и долей ранней и поздней древесины.

Скачать электронную версию публикации