木材的宏微观构造研究

1.木材的三个切面

木材是由无数不同形态、不同大小、不同排列方式的细胞所构成的。由于树木受遗传因子、地理环境和气候条件等影响，致使各种树种的木材构造具有其多样性，而且物理性质也互异。但木材的构造和性质也有一定的规律，除了共性的特征外，还有异性的特征。这些特征有的在肉眼或放大镜下能看到，有的需在光学显微镜下，甚至在电子显微镜下观察，也有些可以用颜色、气味和轻重来区分。

木材的构造从不同角度观察表现出不同的特征，但其中在木材中最有价值的只有三个切面，即横切面、径切面和弦切面（见图12.4-1）。

图12.4-1 木材的三个切面

1）横切面。横切面是指与树干或木纹方向相垂直的切面。在该切面上年轮呈同心圆状，木材细胞间的相互联系都能清楚地反映出来，它是识别木材最重要的切面。

2）径切面。径切面是沿树干长轴方向，与树干半径方向一致或通过髓心的纵切面。在该切面上年轮呈平行条状。

3）弦切面。弦切面是沿树干长轴方向，与年轮相切的纵切面。它与径切面相互垂直，在该切面上年轮呈“V”字形花纹。

在不同的切面上，木材细胞组织的形状、大小和排列方式也不同，通过上述三个切面，基本上可以把木材的构造特征表现出来。除此之外，木材的物理、力学性能在三个切面上也有差别。

2.生长轮和早、晚材

在木材横切面上可见一圈圈的木质层，这种由一个生长周期所产生的围绕髓心的同心圆，称为生长轮。在温带或寒带地区，树木一年仅形成一个生长轮，所以生长轮又称年轮；在热带地区，树木的生长几乎四季不间断，一年可生长几轮，所以称为生长轮。(www.xing528.com)

年轮的宽度与木材性质有一定的关系。在木材利用上，是以横切面上垂直于年轮方向1cm内的年轮数来判别材性。针叶材以每1cm内年轮数多者强度为大；阔叶材如水曲柳、栎木等环孔材，则是年轮数越少，强度越大。

每个年轮均由内外两部分组成。年轮内部系生长季节初期形成，其细胞分裂及生长迅速，材质疏松，材色较浅，称为早材；年轮外部系生长季节后期形成，细胞分裂及生长缓慢，材质坚硬，材色较深，称为晚材。

由于早、晚材结构不同，在两年轮相邻的交界处的组织有显著差异，明显的衬托出的一条界线成为轮界线。它的明显与否，成为年轮明显度。针叶树材的早、晚材差别明显，故其轮界线较阔叶树材明显。在阔叶树材中，环孔材较散孔材明显。

在一个年轮内，早材至晚材的转变程度是识别针叶树材的特征之一。多数针叶树材从早材至晚材是逐步转变的，称为缓变，如红松、冷杉等；部分树种从早材至晚材的转变是急剧的，称为急变，如马尾松、落叶松等。

针叶材尚需测定晚材率。晚材率为年轮中晚材宽度占年轮总宽度的百分率。晚材率是衡量木材强度大小的重要指标。同一树种中，晚才率越高，木材密度越大，强度也越大。

3.木材的各向异性

木材的各向异性反映在横、径、弦三个切面上，这是由于木材组织呈现三维结构所致。从宏观观察木材的横切面，年轮是以髓心为中心作同心圆分布，木射线则作辐射状分布，其他组织则依轴向而排列；径、弦两个切面的特征也各不相同。从微观看，不论何种细胞，均呈现各向异性。木材细胞排列并不是规则的几何图形，但也可以划分出三个切面，其径切面和弦切面差异颇大。

由于木射线是径向分布的，在树干内起到径向（内外）联系的作用；而树干内的弦向（左右）联系则没有专门的组织，只能靠细胞与细胞之间径壁上的纹孔对作为通道。所以多数细胞的径切面上的纹孔较多、较大；而在细胞的弦切面上则相反，纹孔少而小，乃至缺乏。从超微结构观察，除胞间层主为无定型物质外，初生壁和次生壁的三层的纤丝角每层都不同，甚至S2层本身径切面上的纤丝角也不一样。

纵向和横向相比，导电和导热性纵向约为横向的2倍；而湿涨或干缩则纵向仅为横向的几十分之几至百分之几，而弦向比径向约大2倍。在力学方面，概括地说，弹性模量顺纹比横纹大20倍，顺纹抗拉比横纹抗拉大40倍，顺纹抗压比横纹抗压大5～10倍。顺纹抗拉是木材各项强度中最强的一项，而劈开后则是最弱的一项。即使同是横纹受力，径向和弦向也不同，横纹抗拉是径向大于弦向；而劈开后则是径切面小于弦切面。