木材加工机械

近年来，飞秒激光双光子聚合技术作为一种具有纳米精度的真三维加工方式已被广泛应用于制造各种功能微结构，这些微结构在微纳光学，微传感器和微机器系统等领域展现出广阔的应用前景。然而，如何利用飞秒激光实现复合多材料加工，并进一步构建具有多模态的微纳机械仍极具挑战。鉴于此，中国科学技术大学微纳米工程实验室吴东教授团队提出了一种飞秒激光二合一写入多材料的加工策略，制造了由温敏水凝胶和金属纳米颗粒组成的微机械关节，随后开发出具有多种变形模式(10)的多关节人形微机械。该工作于7月17日以“Light-triggered multi-joint microactuator fabricated by two-in-one femtosecond laser writing”为题发表于Nature Communications。 图1. 受人类多关节变形启发，利用飞秒激光二合一多材料加工策略构建多关节人形微机械。 　　飞秒激光二合一加工策略包括使用不对称双光子聚合构建水凝胶关节以及在关节局部区域激光还原沉积银纳米颗粒(Ag NPs)(图1)。其中，非对称光聚合技术使水凝胶微关节局部区域的交联密度产生各向异性，最终使其可以实现方向和角度可控的弯曲变形。原位激光还原沉积可以在水凝胶关节上精确加工银纳米颗粒，这些银纳米颗粒具有很强的光热转换效应，使多关节微机械的模态切换表现出超短响应时间(30 ms)和超低驱动功率(10 mW)的优异特性。 图2. 基于空间多焦点光束刺激，多关节人形微机械展现出多个变形模态。 　　作为一个典型的示例，八个微关节被集成在一个人形微机械上。随后，利用空间光调制技术在3D空间内实现多焦点光束，进而精确地刺激每一个微关节。多个关节之间的协同变形促使人形微机械手完成多个可重构的变形模态。最终，在微米尺度下实现了“舞动的微机器人”(图2)。 　　最后，作为概念验证，通过设计微关节的分布和变形方向，双关节微型机械臂可以对同向和异向的多个微颗粒进行收集(图 3)。总之，飞秒激光二合一加工策略可以在各种三维微结构局部区域构建可变形的微关节，实现多种可重构的变形模态。未来，具有多种变形模态的微机械手将在微型货物收集、微流体操作和细胞操纵方面展现广阔的应用前景。 图3. 通过设计微关节的位置和变形方向，双关节微机械臂能够收集不同位置和方向的多个微货物。 　　辛晨博士和任中国博士为该工作的共同第一作者，通讯作者为吴东教授。论文的合作者还包括中科大的褚家如教授、胡衍雷教授、李家文副教授、香港中文大学的张立教授等。该项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等基金的支持。

现行国家标准《红木》GB/T 18107-2000，其中被诟病最多的一点就是材质鉴定上的不够精确。由于鉴定技术的制约，全世界在树种鉴定上鉴定到&ldquo 种&rdquo 的准确性尚不足，所以有规定，鉴定机构对于红木材质只出具到&ldquo 类&rdquo 的报告。这就让一些不法商家钻了空子，利用这一点在同类木种间大做文章，同时，这也成为了《红木》国标始终被攻击的把柄。虽然目前红木的鉴定报告只能出具到类，但这并不代表目前我国的红木材质鉴定技术就只能鉴定到类。随着科技的发展，越来越多技术被运用在木材鉴定上，给鉴定结果的准确性提供了有力依据。笔者通过翻阅相关论文与文献，大致了解到目前红木材质鉴定技术的方法与研究方向。宏观识别与微观识别相结合《红木》GB/T 18107-2000中提到红木的识别和区分方法是：&ldquo 主要是以简便实用的宏观特征（如密度、结构、材色和纹理等）为依据，辅以必要的木材解剖特征来确定 其属种。本标准所依据正确定名的木材标本均保存在中国林业科学研究院木材工业研究所木材标本室。&rdquo 可见，宏观与微观相结合是传统的红木材质鉴定方法，也是 目前使用最广泛的方法。交趾黄檀实木横切面宏观识别是通过肉眼或放大镜，观察心边材、生长轮、导管、射线与轴向薄壁细胞的大小及排列方式等宏观解剖特征及表观特征，同时结合材色、纹理、结构、花纹、 气味、质量和硬度等进行综合判断；微观识别则是通过切片机将样本制成切片再置于光学显微镜下, 观察各类细胞与组织的形态与排列，与已经正确定名的木材标本的切片进行比对，确定木材类别。檀香紫檀木材微观构造照片宏观识别与微观识别相结合的方式需要识别者具有丰富的木材构造特征方面的专业知识，这种知识是建立在实践经验和科学基础上的。但是识别木材是一件复杂的事 情，即使是经验丰富的专家也会偶尔看错眼，因此会出现在两家不同的木材检测机构，同一样本检测出不同结果的现象，这种鉴定方式受人为的主观影响非常大。红外光谱分析技术红外光谱技术是利用物质对红外光区的能量的选择性吸收来进行定性和定量分析的方法，通常用于木材树种识别的是近红外光谱和中红外光谱。近红外光谱分析技术。近红外光谱处理技术，是对从样本表面采集的近红外光谱，经过一系列预处理，取样本的三分之二，采用软件独立建模分类（SIMCA）和偏 最小二乘判别分析（PLs&mdash DA）进行建模，对剩余的三分之一样本进行判别。由于各树种木材化学成分的相似性和差异性，同一类别木材的近红外光谱具有相近 的吸收峰和吸收强度，不同类别的木材则有明显不同之处。基于近红外光谱分析技术的木材树种分类效果明显，尤其对红木类木材的分类，与红木标准基本一致。4种红木的HPLC指纹图谱，LSHHT为卢氏黑黄檀，DFHHT为东非黑黄檀，DGZT为大果紫檀，YDZT为印度紫檀目前，国内外在近红外光谱分析技术上均取得不同进展。2003 年，日本专家利用近红外光谱分析技术识别了8 种木材，而我国近年来也开始进行研究。2007年，江泽慧、杨忠等人发表了《红木的近红外光谱识别技术》论文；2012年，江泽慧、杨忠等人又作了《红木 的近红外光谱分析》一文，在八类红木样本表面分别采集10条光谱用于红木的近红外光谱分析，利用相关方法可以将八类红木分成相应的类别，并能更直观地展现 八类红木的区别，这为红木的鉴定或识别提供新的方法和研究思路。2010年，中国林业科学研究院木材工业研究所已建立了20余种木材的近红外光谱数据库， 并申请了红木的近红外光谱识别方法的发明专利（20061014962310），但是该项技术还需更多的木材标本光谱数据，建立更有代表性的数学模型，加 速其商业化应用。中红外光谱分析技术。中红外光谱处理技术，主要是研究红 木样本的指纹图谱，选取特征吸收峰，计算有峰率和变异峰率等指标序列进行分析鉴别。在2012年张方达等人著的《基于红外光谱法的红木木材类区分与真伪鉴 别》论文中，其详细地阐述了如何利用中红外光谱，通过与杨木木质素的相关系数不同，对七类红木木材进行区分。同时对于两种珍贵的非红木类木材：榄仁木和亚 花梨木与外观相似的紫檀、黑酸枝、香枝木应用中红外光谱进行了客观、快速的真伪辨别。ZT、HL、HI、HO、WM、TW、JC和XZ分别代表《红木》国标中紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、红酸枝木、乌木、条纹乌木和鸡翅木八类红木的近红外光谱除此外，还有如气相色谱&mdash 质朴联用技术（GC-MS）、高效液相色谱法和液相色谱（HPLC）&mdash 质谱联用技术等色谱指纹图谱方法，2012年沈明月等人的 《基于HPLC技术及模式识别方法鉴别四种红木》、2013年罗燕的《四种红木抽提物的FTIR与GC&mdash MS指纹图谱鉴别研究》都有提到用相关方法鉴别红 木种类。以上几类均为化学方法，有些方法已经可以鉴定到种，但是目前均处于研究阶段，还无法大规模推广和投入使用。DNA标记技术在《品牌红木》2014年3月刊上，中国林科院木材工业所研究员、中国林产工业协会红木分会秘书长殷亚方也撰文提到了DNA标记技术有望解决红木鉴定难题。 因木材树种和产地不同，其DNA也不同，是某种木材所特有的，对基因组序列差异的比较研究无疑为木材分类和鉴定提供了最本质的依据。2007 年，德国林业研究所已利用DNA 标记技术，成功进行了6种杨树木材的识别。目前，国内DNA分子标记技术应用于活体树木鉴定的技术已经成熟，然而，从经过长期存储、高温干燥或机械加工等 一系列处理后的木材以及成品家具木材中却难以提取高质量的DNA，因为木材组织中的DNA已经发生严重降解。经过研究人员的不懈努力，目前从干燥和加工后 的木材树种中提取DNA 的技术已有突破。中国林科院木材工业所的木材DNA识别新技术实验室已初步建立，并正在建立木材DNA 标记信息数据库。但是实现DNA 标记技术的商业化运用，还需要各国科技工作者进行大量的科学试验， 以得到更多重要树种和木材的DNA 标记信息及相关的数据库。此外，利用稳定同位素分析技术有望鉴别红木原产地。届时，红木不仅可以鉴定到种还可以鉴定原产地，让红木信息更透明化。结语目前，宏观识别与微观识别相结合的方式还是鉴定红木材质最常见、最具可操作性的方式，中国林科院也在不断完善红木树种木材标本。据笔者从最新的《红木》国标 征集意见稿中发现，其已经在草案中，补充完整了《红木》GB/T 18107-2000标准中原来没有的毛药乌木、白花崖豆木的三切面显微结构照片，让检测更有据可依。诚然，如红外光谱分析技术等化学方法以及如DNA标记技术等遗传学方法因为需要更专业的设备以及更专业的操作人员，再加上技术还不够成熟、投入的成本过高等 因素，多数还处于研究阶段，无法实现普及。但是我们也不难看到，这些方法客观、高效，鉴定结果受人为因素影响更小，也更准确，发展前景可观。就像我们想不 到短短几年时间，智能触屏手机快速地淘汰了键盘手机占据我们的生活一样，随着日新月异的科技发展，也许用不了多久，红木材质就能轻松鉴定到种，更简单、成 本更低的技术被运用到材质鉴定中，让红木可以名正言顺、明码标价地进行买卖。(原标题：木材鉴定技术知多少)

p style="text-align: justify " 天然木材的独特取向孔道结构赋予其轻质高强的特点，有关仿木头结构的研究是国际上仿生材料研究领域的热点之一。然而，传统的仿木头结构材料是“徒有其型”，以往研究实现取向孔道结构的模仿，但其力学性能远不能令人满意。例如，目前开发的陶瓷基仿木头结构材料，密度高、强度低、缺陷多，且制备过程需要高温烧结（通常 1500℃）。因此，如何制备真正具有轻质高强特点的仿木材结构材料是仿生材料研究领域面临的挑战。/pp style="text-align: justify " 近日，中国科学技术大学教授俞书宏带领的科研团队，发展了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的新技术，以传统的酚醛树脂和密胺树脂为基体材料，研制出一系列具有类似天然木材取向孔道结构的新型仿生人工木材。该系列仿生人工木材具有轻质高强、耐腐蚀和隔热防火等优点。8月10日，相关研究成果以Bioinspired polymeric woods为题，发表在《科学进展》上，Science杂志科学新闻以This synthetic wood is as strong as the real thing—and won’t catch fire为题，对该成果进行报道。论文的共同第一作者为博士后于志龙和硕士生杨宁。/pp style="text-align: justify " 研究人员研制的一系列树脂基仿生人工木材，具有类似天然木材的取向孔道结构，并且壁厚和孔尺寸具有很好的可调控性（图1）。这种方法可以复合多种纳米材料以制备多功能复合人工木材，而且简单高效，容易放大生产。这种取向孔道结构的人工木材具有突出的机械性能，压缩屈服强度优于已开发的多种仿木结构的陶瓷材料，且与天然木材性能相当（图2）。/pp style="text-align: justify " 与天然木材相比，仿生人工木材最大的优势在于其耐腐蚀性、隔热和防火性能。研究中，由于选用热固树脂材料作为基体材料，所制备的仿生人工木材具有很好的防水、耐酸腐蚀的特点，在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力学强度均没有衰减。得益于其取向孔道结构和孔壁中复合的纳米材料，与石墨烯复合的人工木材具有很好的径向（垂直于孔道方向）隔热效果，最低热导率可达20.8 mW/mK（毫瓦每米每开尔文）。考虑到人工木材的高比强度（压缩强度/密度），这种人工木材比其他工程材料和气凝胶材料具有更好的实用性。/pp style="text-align: justify " 易燃性是天然木材在实际应用中面临的最大问题，而防火阻燃则是人工木材最大的优点，通过复合不同的纳米材料可以进一步提高其防火隔热性能。这种人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃后能够迅速自熄灭，这正是天然木材无法克服的缺点（图3）。/pp style="text-align: justify " 作为新型的仿生工程材料，其多功能性优于传统的工程材料，这类人工木材有望代替天然木材，实现在苛刻或极端条件下的应用。此外，这种合成方法为制备和加工一系列高性能仿生工程材料提供了新思路，其功能的可设计性等优点将有助于拓宽该方法和制备的材料在多种技术领域中的应用。/pp style="text-align: justify " 研究工作受到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、国家重大科学研究计划、中科院前沿科学重点研究项目、中科院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/c895eb45-70cf-43ff-aab8-0ff33f62ec9c.jpg" title="1.jpg"//pp图1.人工木头的制备过程示意图。（A）树脂聚合物的混合溶液；（B）取向冷冻和干燥后具有取向孔道结构的聚合物干胶；（C）固化后的树脂基仿生木材；（D）酚醛树脂基（上）和密胺树脂基（下）仿生木材实物照片/pp/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/bfab837c-f8d1-4bf4-9074-6c413ea1b18d.jpg" title="2.png"//pp图2.仿生人工木材的照片、结构和力学性能。（A）酚醛树脂基人工木材与微观结构；（B）密胺树脂基人工木材与微观结构；（C）人工木材的力学性能与其他工程材料对比图。/pp/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/ae899219-4c1e-441d-8fb4-78eb4a0fd45c.jpg" title="3.jpg"//pp图3.人工木材的防火性能和巴尔杉木的易燃性对比。（a）CMF人工木材；（b）CPF人工木材；（c）CPF/GO复合木材；（d）巴尔杉木。/ppbr//p