納米壓痕技術(shù)在管胞次生壁s1層縱向彈性模量測試中的應(yīng)用

納米壓痕技術(shù)在管胞次生壁s1層縱向彈性模量測試中的應(yīng)用

在過去10年中，隨著環(huán)境掃描電鏡、激光共聚焦顯微鏡、輻射激光光譜等高級實(shí)驗(yàn)儀器的引入，管道1911et的力學(xué)研究受到了廣泛的關(guān)注。這類研究主要以針葉材管胞為研究對象,系統(tǒng)研究管胞的力學(xué)特性、影響因素、斷裂機(jī)理,以期從細(xì)胞水平,甚至分子水平闡明決定木材宏觀力學(xué)性能的主要因子,為林木育種和木材的基因改良提供必要的目標(biāo)和指標(biāo)。目前對木材纖維,特別是對針葉材管胞力學(xué)性能的研究已經(jīng)成為細(xì)胞壁力學(xué)研究的主要內(nèi)容。針葉材管胞一般長1~5mm,寬僅為幾十個微米,對其力學(xué)特性的研究往往要求高載荷和位移分辨率的測量儀器。通常采用的方法是對離析后的單根纖維(管胞)進(jìn)行微拉伸,進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)是非常困難和費(fèi)時的,有許多環(huán)節(jié)仍有待于近一步改進(jìn)。鑒于傳統(tǒng)方法在測定木材纖維力學(xué)性質(zhì)時有許多不足之處,并且離析纖維不可避免帶來化學(xué)成分的變化,因此很有必要研究新的細(xì)胞壁力學(xué)性質(zhì)測定方法。Wimmer等人(1997)首次提出使用納米壓痕技術(shù)測量針葉材管胞細(xì)胞壁的縱向彈性模量和硬度,為研究細(xì)胞壁的力學(xué)特性開辟了新的途徑。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,首次運(yùn)用納米硬度測量技術(shù)中最新發(fā)展起來的連續(xù)剛度測量法(continuousstiffnessmethod,縮寫成CSM),對測定人工林杉木管胞細(xì)胞壁的縱向彈性模量和硬度的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了有益探索。1材料和方法1.1樹體及生長結(jié)果材料人工林杉木(Cunninghamialanceolata),樹高20.5m,胸徑26.2cm,樹齡36a,采自江西大崗山試驗(yàn)林場。1.2方法1.2.1動態(tài)壓痕測量法玻氏硬度(也稱納米硬度)定義為:彈性模量可由下式算出:式中:P為最大壓痕深度時壓針上的載荷;A為最大壓痕深度時壓痕的投影面積,可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式算出;Er為復(fù)合響應(yīng)模量,可根據(jù)載荷-壓痕曲線和彈性接觸理論計(jì)算出;Ei、vi分別為壓針的彈性模量和泊松比,在本次實(shí)驗(yàn)中,Ei=1141GPa,vi=0.07。要計(jì)算出E(被測樣品的彈性模量),必須先知道樣品在該方向的泊松比v。應(yīng)該指出,彈性模量對v的值不敏感,對于大多數(shù)材料,v在0.25±0.1之間時,E僅會產(chǎn)生5%的誤差。根據(jù)Gibson等(1988)對許多學(xué)者實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié),針葉材管胞細(xì)胞壁的縱向泊松比(vLR、vLT)在0.37~0.47之間,因此取0.40作為本次研究細(xì)胞壁的縱向泊松比,對于Spurr樹脂這類高分子材料,v=0.30。上述方法只能得到最大壓痕處對應(yīng)的硬度和彈性模量。為此,Pethica等(1989)提出了在加載過程中連續(xù)計(jì)算接觸剛度的測量原理,稱為連續(xù)剛度測量法或固定頻率的動態(tài)壓痕測量法。原理是將較高頻率(本次實(shí)驗(yàn)的頻率為45Hz)的簡諧力疊加在準(zhǔn)靜態(tài)的加載信號上,測量壓頭的簡諧響應(yīng),簡諧力控制著位移的波動(一般1~2nm),從而實(shí)現(xiàn)接觸剛度的連續(xù)測量。CSM技術(shù)能夠研究硬度和彈性模量隨壓痕深度變化的規(guī)律,從而使納米壓痕技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了高分子和生物材料等研究領(lǐng)域。1.2.2次包埋法檢測宏觀結(jié)構(gòu)使用納米壓痕儀測試管胞細(xì)胞壁的彈性模量、硬度時,試樣制作和安裝是最為關(guān)鍵的。在樹高中部取一厚度為25mm圓盤,在圓盤北向沿徑向取一寬為10mm的木條。在輪界處用鋒利刀片取橫截面為1mm×1mm,長為5mm的小木條(圖1a)。之后的過程與透射電鏡試樣的制作方式相似:小木條經(jīng)過不同濃度的酒精脫水至絕干,再用Spurr樹脂浸注包埋,放在烘箱內(nèi)以逐步升溫方式固化(朱麗霞,1983)。由于納米壓痕儀對試樣表面的光潔度有極高的要求,所以包埋塊的表面(橫切面)需要用超薄切片機(jī)(LKB-2188)拋光,進(jìn)刀厚度為1μm。拋光后的試樣需要通過二次包埋固定在一個圓柱形金屬塊上。根據(jù)儀器樣品臺的要求,圓柱體的直徑為31.66mm,并在圓心處開一個圓槽。把拋光后的長條形包埋塊垂直豎立在槽內(nèi),注入二組分環(huán)氧樹脂,在常溫下固化(圖1b),固化時間為半個小時到幾個小時,最后把圓柱體固定到納米壓痕儀的樣品臺上進(jìn)行測試。由于納米壓痕儀對樣品的表面質(zhì)量非常敏感,在二次包埋過程中,要注意避免對包埋塊表面的任何損壞,包埋后最好用一個干凈玻璃杯罩住圓柱體,減少樣品表面可能粘上的灰塵。木材的含水率對其物理力學(xué)性質(zhì)有很大影響。本次研究的樣品雖然在制作過程中經(jīng)過酒精脫水至絕干,但在測試前長時間放置在溫度21℃,相對濕度為60%的環(huán)境內(nèi);最重要的是,壓痕實(shí)驗(yàn)的深度只有200nm,因此在這段區(qū)域內(nèi)樣品的含水率達(dá)到了與周圍環(huán)境的平衡,為10.9%。此外,由于細(xì)胞壁致密的結(jié)構(gòu),樹脂只會填充到細(xì)胞腔內(nèi)起支撐作用,便于隨后的表面拋光,不會改變細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)(Spurr,1969)。1.2.3spurr的檢測結(jié)果正式實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了幾次預(yù)備實(shí)驗(yàn)并對結(jié)果進(jìn)行了仔細(xì)分析,確定了測試的實(shí)驗(yàn)條件:最大壓痕深度hmax=200nm,應(yīng)變率0.05s-1。把樣品裝上水平定位平臺后,利用儀器附屬的光學(xué)顯微鏡觀察樣品表面(×1600)。由于細(xì)胞壁的S2層占整個細(xì)胞壁厚度的70%以上,并且具有較小的纖絲角,對細(xì)胞壁的縱向彈性模量起支配性作用,因此壓痕大致位于S2層的中部,每次實(shí)驗(yàn)的壓痕數(shù)為5~10個。作為對比,實(shí)驗(yàn)中對細(xì)胞周圍的連續(xù)樹脂區(qū)域(圖4)也進(jìn)行了20次壓痕實(shí)驗(yàn),得到了Spurr數(shù)值的硬度和彈性模量。在整個實(shí)驗(yàn)過程中,溫度保持在21℃,相對濕度為60%,整個測試過程由計(jì)算機(jī)控制完成。2結(jié)果與分析2.1壓痕深度對spurr樹脂模量和模量的影響圖3給出了Spurr樹脂5次典型壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷、硬度、模量與壓痕深度關(guān)系曲線。固化良好的Spurr樹脂為均質(zhì)的各向同性體,壓痕深度對其硬度和模量的影響應(yīng)不顯著,但圖3表明,硬度和模量在壓痕深度0~100mm之間變化較大,這一段為儀器的不可靠工作區(qū);大于100nm后則迅速趨向平緩,儀器進(jìn)入可靠工作區(qū),壓痕深度對Spurr樹脂的硬度和彈性模量的影響不顯著。不可靠工作區(qū)的大小與樣品表面的粗糙度和壓針的尖銳程度有關(guān)。之后,又陸續(xù)對不同樣品的連續(xù)樹脂區(qū)域進(jìn)行了15次壓痕實(shí)驗(yàn),每次得到的硬度和模量均是可靠工作區(qū)內(nèi)的平均值。表1給出了Spurr樹脂硬度和模量的統(tǒng)計(jì)值。2.2管胞壁的壓痕-壓痕曲線如圖4所示,可以把樣品表面劃分為細(xì)胞壁、胞腔內(nèi)不連續(xù)樹脂和細(xì)胞周圍連續(xù)樹脂3個區(qū)域。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是對細(xì)胞壁進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn),從而獲得細(xì)胞壁的縱向硬度和彈性模量。盡管納米壓痕儀在載荷和壓痕深度測量上具有極高的精確度,例如壓痕深度分辨率達(dá)到0.1nm,但儀器附屬的X-Y定位平臺的精度只有0.3μm·inch-1,即壓頭在水平方向每移動2.54cm,就會產(chǎn)生0.3μm的誤差,并且每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的壓痕次數(shù)越多,誤差就會越大。由于杉木管胞細(xì)胞壁厚度只有3~7μm,因此并不是每個壓痕都可以精確無誤地打在細(xì)胞壁上,有的壓痕會落在細(xì)胞腔的樹脂上,因此需要判斷哪些壓痕落在了管胞的細(xì)胞壁上。實(shí)驗(yàn)中得到了2種典型的載荷-壓痕曲線(圖5)。A型曲線與大多數(shù)材料的正常載荷-壓痕曲線相似,而B型曲線的卸載部分則與正常曲線的卸載部分完全不同,不僅載荷變?yōu)樨?fù)值,壓痕深度也呈現(xiàn)出負(fù)值,在對早晚材管胞胞壁的壓痕實(shí)驗(yàn)中,都同時存在這兩種曲線。研究認(rèn)為,呈現(xiàn)B型曲線的壓痕落到了細(xì)胞腔的樹脂上(或胞腔和胞壁的交界處),這是基于以下幾個理由:(1)與樣品四周的連續(xù)樹脂區(qū)域不同,沉積在胞腔內(nèi)的樹脂被胞壁分割,呈離散分布,并與細(xì)胞腔內(nèi)表面松散接觸。因此在卸載階段末期,壓針與樹脂之間的吸附力易于把樹脂帶出,從而出現(xiàn)負(fù)壓痕和負(fù)載荷的異?，F(xiàn)象,而在對連續(xù)樹脂區(qū)域進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)時,由于樹脂形成一個連續(xù)的整體,一般不會出現(xiàn)壓針把樹脂帶起的現(xiàn)象,因此表現(xiàn)出正常的載荷-壓痕曲線。(2)B型曲線得到的硬度和模量遠(yuǎn)小于A型,但與Spurr樹脂的硬度和模量大小相當(dāng)。(3)晚材區(qū)域的胞壁率比早材區(qū)域大得多,因此在對早材區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時,壓痕落在胞腔樹脂上的幾率要大于晚材,這正好解釋了在對早材管胞進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)時,出現(xiàn)B型曲線的概率為65.5%,遠(yuǎn)大于對晚材管胞進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)的32.1%的原因?；谝陨侠碛?本研究認(rèn)為根據(jù)ModeA曲線得到的是管胞細(xì)胞壁的硬度和模量。2.3不同性質(zhì)的管胞審計(jì)測試結(jié)果圖6給出了次生壁S2層載荷、硬度、彈性模量與壓痕深度之間關(guān)系。在0~50nm的范圍內(nèi),縱向硬度和彈性模量隨壓痕深度增加而急劇增大,這段區(qū)域是儀器的非可靠工作區(qū)。樣品的表面質(zhì)量越好,非可靠工作區(qū)的范圍就越小,就本次研究樣品的表面質(zhì)量而言,當(dāng)壓痕深度大于50nm以后,樣品表面質(zhì)量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略。從圖6可以清楚看出,壓痕深度在大于50nm后對細(xì)胞壁的硬度和彈性模量沒有顯著影響,因此在對管胞進(jìn)行的每個壓痕實(shí)驗(yàn)中,彈性模量和硬度均是深度在100~200nm之間的平均值。從表2可知,杉木晚材管胞S2層的平均縱向硬度為0.390GPa,彈性模量的平均值為14.844GPa;早材管胞S2層的硬度和模量則明顯小于晚材,平均值分別為0.306GPa和9.823GPa,可以從幾個方面對此進(jìn)行解釋:(1)晚材纖維素的結(jié)晶度高于早材(Lee,1961),因此其力學(xué)性能優(yōu)于早材細(xì)胞壁的纖維素;(2)晚材管胞S2層的微纖絲角小于早材;(3)晚材的纖維素含量高于早材(Haleetal.,1963)。因此同一年輪內(nèi)早晚材之間物理化學(xué)性質(zhì)的差異是晚材管胞S2層的縱向硬度和模量均高于早材的根本原因。其中S2層微纖絲角之間的差異則是諸多因素中最具有決定性的:微纖絲角越小,纖維的縱向強(qiáng)度和剛度越好。這一點(diǎn)已經(jīng)被許多實(shí)驗(yàn)(Pageetal.,1977;1983)和理論研究(Salmenetal.,1985;Koponenetal.,1991)所證實(shí)。Wimmer等(1997)使用類似技術(shù)得到的80a生紅云杉(Picearubens)早晚材管胞S2層的縱向彈性模量平均值分別為13.49和21.00GPa。而本文根據(jù)ModeA曲線得到的結(jié)果為:早材管胞9.823GPa(最大值為14.674GPa),晚材管胞14.844GPa(最大值28.087GPa),所測的值雖然相對較小,但應(yīng)該看到,由于這里的實(shí)驗(yàn)對象是30a生的人工林杉木,力學(xué)性質(zhì)性相對較差是合理的。然而,Cave(1968;1969)通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算上得到的云杉屬管胞細(xì)胞壁縱向彈性在28~35GPa之間,明顯大于本次研究得到的實(shí)驗(yàn)值。最新的研究1)也指出,如果儀器的壓痕定位精度不理想,使用納米壓痕技術(shù)測得的彈性模量會小于實(shí)際值,原因主要有三:(1)納米壓痕儀在定位精度上不夠理想,有些壓痕不是落在S2層中部區(qū)域,而是落在靠近細(xì)胞腔的邊緣區(qū)域,這時細(xì)胞壁物質(zhì)由于受到的束縛小,容易向細(xì)胞腔方向擴(kuò)張,因此數(shù)值偏小;(2)試樣表面質(zhì)量不夠理想;(3)壓針在壓入細(xì)胞壁時,細(xì)胞壁向下凹陷(sinkin),使實(shí)際接觸面積的投影小于彈性接觸模型的預(yù)測結(jié)果,這樣測得的硬度和模量便會小于真實(shí)值?？梢娫诩{米壓痕技術(shù)能夠更成功地用于細(xì)胞壁力學(xué)的研究以前,還有一些工作要做。就定位精度來說,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,這個問題已經(jīng)得到了解決。據(jù)了解,MTS公司目前已經(jīng)為ManoIndenterXP開發(fā)出新的納米級定位平臺,分辨率達(dá)到了2nm,并且通過把力學(xué)測試和壓痕原位成像統(tǒng)一到同一根壓針上,實(shí)現(xiàn)了壓痕的原位成像,這對研究木材這類生物胞狀材料以及證實(shí)壓針壓入時細(xì)胞壁上是否出現(xiàn)了凹陷現(xiàn)象非常有利。因此今后所要重點(diǎn)解決的問題是如何提高樣品的表面質(zhì)量,這是因?yàn)楸砻尜|(zhì)量越好,不僅測試精度越高,還可以直接在細(xì)胞壁的S1、S3層,甚至胞間層上進(jìn)行深度更小的壓痕實(shí)驗(yàn),從而獲得細(xì)胞壁厚度方向的力學(xué)性質(zhì)變異規(guī)律,把細(xì)胞壁力學(xué)的研究提高到一個更高的水平。3采用納米壓痕儀的研究對象本文探索了利用納米壓痕技術(shù)測量人工林杉木管胞次生壁S2層縱向彈性模量和硬度的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。首次運(yùn)用連續(xù)剛度測量法測定了人工林杉木管胞細(xì)胞壁的縱向彈性模量和硬度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在同一年輪內(nèi),晚材管胞細(xì)胞壁的縱向硬度和模量均高于早材。晚材管胞S2層的縱向彈性模量在7.175~28.087GPa之間,早材管胞則在7.160~14.674GPa之間。通過與前人研究的對比,發(fā)現(xiàn)目前使用的納米壓痕儀得到的管胞縱向彈性模量和硬度比實(shí)際值偏小,這除了儀器的定位精度和樣品的表面質(zhì)量不夠理想外,壓針壓入時細(xì)胞壁上產(chǎn)生凹陷現(xiàn)象可能也是原因之一本次研究所使用的納米壓痕儀在載荷和位移方面具有足夠的分辨率,但其壓痕的定位精度對于研究木材這類生物材料還不十分令人滿意。對于木材這類生物胞