木材细胞壁准静态贝尔科维奇纳米压痕的最佳实践 | MDPI Forests
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研究背景
在过去的25年里，纳米压痕技术已经成为木材科学和森林产品研究中的一个有价值的研究技术。纳米压痕是一种仪器化压痕实验，最常用于测量机械性能，如弹性模量和硬度。相较于其他机械测试技术，纳米压痕技术的优势在于它能够以最少的样品制备量原位探测微米量级的材料。因此纳米压痕非常适合探测单个木材的细胞壁层，如S2细胞壁层 (S2) 和复合角中间层 (Compound Corner Middle Lamellae, CCML) (图1)，以及木质材料中的其他微米级特征，如层压结构中的木材粘合剂粘合层、木质复合材料中的木质基体界面区域以及工程木制品上的涂层。有研究表明纳米压痕是目前唯一适用于这些小体积材料的机械性能和处理效果的研究技术。
图1. 木材细胞结构和细胞壁层示意图。
传统的纳米压痕方法包括进行纳米压痕的实验方案和载荷-深度轨迹的分析。而为了使木材和森林产品充分发挥其作为结构材料的潜力，需要采用实验技术来测量所有长度范围内的机械性能。纳米压痕法特别适合于探测森林产品中微米级特征的原位机械特性，例如单个木材细胞壁层和粘合层。
基于此，美国农业部林业局以及威斯康星大学麦迪逊分校的科研人员以视角和观点论文的形式在 Forests 期刊发表了文章，基于传统方法通过改进的准静态贝尔科维奇纳米压痕方法，包括实验方案和分析算法，旨在提高复杂聚合物材料(如木材细胞壁)的测量精度。
研究过程与结果
本研究共为五个部分：
回顾了木材细胞壁纳米压痕的基础知识，包括仪器，贝尔科维奇探针接触力学，传统的纳米压痕分析，结构柔度分析，载荷函数和测试方案的设计，以及制备非包埋木材样品的技术。
介绍了熔融石英标定实验和火炬松 (Pinus Taeda) S2实验 (火炬松实验旨在证明新方案和分析算法的实用性和局限性) 和 CCML 实验的材料和方法。
提出了分析算法，包括熔融石英校准纳米压痕的分析，并提出了旨在提高木材细胞壁中纳米压痕测量的可靠性步骤。
给出了在 S2 和 CCML 的实验结果和讨论，而且这些结果被用来改进 S2 和 CCML 实验的设计和报告指南。
作者总结并且提出了相关建议。
研究总结
纳米压痕已被证明是评估复杂微米级材料 (如木材细胞壁) 机械性能的一种有价值的工具。准静态贝尔科维奇探针硬度和弹性模量是最常见的测量方法。然而，当传统方法应用于木材和森林产品的实验时，这种测量很容易受到系统误差的影响。作者通过开发了纳米压痕协议和分析算法，以提高复杂材料 (如木材细胞壁) 的准静态贝尔科维奇硬度和弹性模量测量的准确性，并通过分析火炬松中的一系列多载荷纳米压痕，证明了改进方法的有效性。
为了最大限度地减少过度的可变性，作者建议使用的多载荷函数来确定纳米压痕的尺寸，使其至少有六个卸载段可以包括在分析中。一般来说，较大的纳米压痕产生更好的结果，但环境有时可能需要制造小的纳米压痕，因此作者建议实验中药具有少于六个满足最小尺寸要求的卸载段。由于最小的纳米压痕预计不会受到显著影响，因此在分析算法中省略结构柔度分析可能是合理的，以降低可变性并更容易检查表面检测误差。
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原文出自 Forests期刊
Jakes, J.E.; Stone, D.S. Best Practices for Quasistatic Berkovich Nanoindentation of Wood Cell Walls. Forests 2021, 12, 1696.
Forests期刊介绍
主编：Timothy A. Martin, University of Florida, USA
主要刊载林业及相关领域的最新科研成果。期刊目前已经被 Scopus、SCIE、Ei Compendex 等多个学术数据库收录，在中科院 SCI 期刊分区中位于林学二区 (2021年 12 月数据)。
2021 Impact Factor | 3.282 |
2021 CiteScore | 4.0 |
Time to First Decision | 19.7 Days |
Time to Publication | 41 Days |
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