ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДОСТИ И КАРТИРОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ДРЕВЕСИНЫ СОСНЫ И ДУБА Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДОСТИ И КАРТИРОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ДРЕВЕСИНЫ СОСНЫ И ДУБА Тюрин А.И.*, Самодуров А.А., Коренков В.В., Тюрин В.А., Юнак М.А. Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, Тамбов, Россия

e-mail: [email protected] Древесина - природный композит со сложной мультимасштабной иерархической структурой [1-4], которая и определяет механические, акустические, тепловые, оптические и другие физические свойства материала [1-3, 5,6]. В этом смысле древесина принципиально не отличается от других полимерных композитов, особенно - от содержащих древесные компоненты. Для всех них принципиально важен ряд вопросов: как формируются макросвойства композита, как можно их предсказывать на основании знаний о микроструктуре и как можно ими управлять, чтобы получать материалы с заданными свойствами. Как правило, для изучения строения древесины, ее кольцевой и клеточной структуры используют методы оптической микроскопии, основанные на анализе оптических свойств, которые напрямую не связаны с физико-механическими характеристиками. Поэтому для исследования их распределений в последнее время стали применять не сильно распространенные в древесиноведении методы (рентгеновскую денситометрию, синхротронное излучение, ядерный магнитный резонанс и некоторые другие). Однако эти методы достаточно трудоемки и требуют дорогостоящего оборудования. В работе показаны возможности применения методов наноиндентирования и скретч-тестирования для сканирования физико-механических свойств, построения карт их распределения и исследования размерных эффектов РЭ в древесине, а также полученные с их помощью экспериментальные результаты. Эксперименты выполнены на спилах сосны обыкновенной и дуба черешчатого как типичных представителях древесины хвойных и лиственных пород. Выявлено многократное увеличение микротвердости Н и модуля Юнга Е внутри отдельного годового кольца роста по мере перехода из зоны ранней древесины EW в зону поздней древесины LW. Установлены значительные различия в ходе внутрикольцевых радиальных зависимостей Ни Е для каждой из исследованных пород. Установлено отсутствие зависимости Н и Е в EW от ширины годового кольца w и обнаружена слабая их зависимость от w в LW. Показано, что величина w, измеренная по изменению физико-механических свойств, с точностью до 2-3% совпадает с измеренной традиционным оптическим методом. Исследованы РЭ в твердости EW и LW. Разработанный подход и полученные результаты могут быть полезны для углубления понимания природы и механизмов формирования макромеханических свойств древесины различных пород в зависимости от их микроструктурных характеристик; а также в задачах оптимизации технологий выращивания, упрочнения и условий последующего использования древесины и при разработке новых высокоинформативных методов дендрохронологии.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 2316-00231, (https://rscf.ru/project/23-16-00231/). Литература

1. Dinwoodie J.M. Timber, Its Nature and Behaviour. 2nd Edition. 2000. London. CRC Press.

2. MeyersM.A., Chen P.-Y, Lin A. Y.-M., Seki Y. // Progress in Mater. Scie. 2008, V. 53. P. 1-206.

3. Desch Н.Е., Dinwoodie J.M. Timber: Structure, Properties, Conversion and Use; Macmillan International Higher Education: London, UK, 2016; ISBN 1-349-13427-9. 2272 pp.

4. Toumpanaki E., Shah D. U., Eichhorn S.J. // Adv. Mater. 2020, 2001613.

5. Chen C., Kuang Y., Zhu S. et al. // Nature Reviews. Materials. 2020. V. 5, P. 642-666.

6. Golovin Y.I., Gusev A.A., Golovin D.Yu. et al. // JOBAB. 2023. N 8, P. 246-264.