第6章木材学电学ppt课件

1、 主要介绍木材密度、木材的含水状态、木材中水分的吸湿与解吸、木材的干缩湿胀、木材的电学性质、热学性质、声学性质和光学性质。 6.3 6.3 木材的电学性质木材的电学性质 6.3.1 6.3.1 木材的导电性木材的导电性 6.3.2 6.3.2 木材的介电性木材的介电性 6.3.3 6.3.3 木材的压电效应和界面的动电性质木材的压电效应和界面的动电性质6.3.1 木材的导电性木材的导电性6.3.1.1 电阻率与电导率电阻率与电导率 6.3.1.2 木材的电导原理木材的电导原理 6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素影响木材直流电导率的因素 电阻电阻 在一个固体的两端施加电压的电场在一个固体的

2、两端施加电压的电场U，固体中，固体中通过的电流通过的电流I，那么该固体的电阻为，那么该固体的电阻为电阻率电阻率 是指单位截面积及单位长度上均匀导线的电是指单位截面积及单位长度上均匀导线的电阻值，是物体的固有属性，电阻率越大则材料导阻值，是物体的固有属性，电阻率越大则材料导电能力越弱。电阻率：电能力越弱。电阻率： A为导体的截面积（为导体的截面积（ ），），l是电场间导体的长度是电场间导体的长度（ ）。）。电导率电导率 是电阻率的倒数，电导率越大，则说明材料是电阻率的倒数，电导率越大，则说明材料导电能力越强。导电能力越强。)( IUR)(mlAIUlAR2mm按照电阻率或电导率的大小，所有材料可

3、以划分按照电阻率或电导率的大小，所有材料可以划分为导体、半导体为导体、半导体 和和 绝缘体介电体）。绝缘体介电体）。导体导体 导体是导电能力强的材料，电阻率范围一般导体是导电能力强的材料，电阻率范围一般在在10-810-810-510-5，如金属等；，如金属等；绝缘体绝缘体 绝缘体的导电能力差，一般电阻率高于绝缘体的导电能力差，一般电阻率高于108108的材料可以称为绝缘体，如陶瓷、橡胶、塑料的材料可以称为绝缘体，如陶瓷、橡胶、塑料等；等；半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。体。n绝干木材的电阻率为绝干木材的电阻率为10141016，为

4、绝缘体。，为绝缘体。随着含水率的升高，木材的电阻率急剧下降；随着含水率的升高，木材的电阻率急剧下降；当含水率到达纤维饱和点时，电阻率为当含水率到达纤维饱和点时，电阻率为103104；室温下饱湿的木材的电阻率仅为；室温下饱湿的木材的电阻率仅为102103，已属于半绝缘体范围。考察木材含水率，已属于半绝缘体范围。考察木材含水率从绝干状态上升至饱湿状态的过程中，可以从绝干状态上升至饱湿状态的过程中，可以发现其电导率增大了约发现其电导率增大了约10111014倍。如此大倍。如此大的差异，直观上确是受含水率影响所致，但的差异，直观上确是受含水率影响所致，但其机理究竟是什么？这需要从木材的电导原其机理究竟

5、是什么？这需要从木材的电导原理来加以解释。理来加以解释。6.3.1.2 木材的电导原理木材的电导原理 1、木材导电性弱的主要原因、木材导电性弱的主要原因: 木材的化学结构组成中不含有导电性良好的自由电子。木材的化学结构组成中不含有导电性良好的自由电子。 2、木材具有微弱的导电性原因、木材具有微弱的导电性原因: 通常认为，木材微弱的导电性是离子引起的。通常认为，木材微弱的导电性是离子引起的。 离子是构成木材的聚合物中的离子基缔结在一起的离离子是构成木材的聚合物中的离子基缔结在一起的离子，或是在木材含量很少的灰分杂质物质中含有子，或是在木材含量很少的灰分杂质物质中含有极少量的离子如金属离子），这些

6、微量的离子在电极少量的离子如金属离子），这些微量的离子在电场作用下会定向移动。场作用下会定向移动。n木材在直流电场中，具有极化现象，即离子在电场中木材在直流电场中，具有极化现象，即离子在电场中定向移动。定向移动。n木材的极化现象木材的极化现象:木材中存在的离子可分为两类。木材中存在的离子可分为两类。n 束缚离子束缚离子:一类为被吸附在胶束表面离子基上的束一类为被吸附在胶束表面离子基上的束缚离子；缚离子；n 自由离子自由离子:一类为处于自由状态、在受到外部电场一类为处于自由状态、在受到外部电场作用时能够迁移电荷的自由离子。木材的电导主要是作用时能够迁移电荷的自由离子。木材的电导主要是靠自由离子进

7、行的，一般在细胞壁的非结晶区纤维靠自由离子进行的，一般在细胞壁的非结晶区纤维素、半纤维素、木质素发生素、半纤维素、木质素发生 3、木材的极化现象、木材的极化现象n木材含水率在木材含水率在0%20%的范围内，影响电导的范围内，影响电导机理的主要因子是木材中的自由离子浓度机理的主要因子是木材中的自由离子浓度(载载流子的数目流子的数目)；n在更高的含水率范围内，被吸着的束缚离子在更高的含水率范围内，被吸着的束缚离子的解离度很高，离子迁移率上升为决定电导的解离度很高，离子迁移率上升为决定电导的主要因子。由于木材的电导依存于其内部的主要因子。由于木材的电导依存于其内部离子的存在，所以离子浓度的、分布的变

8、化离子的存在，所以离子浓度的、分布的变化或两者的同时变化都将对木材电导产生影响。或两者的同时变化都将对木材电导产生影响。 6.3.1.3 影响木材直流电导率的因素影响木材直流电导率的因素 （1含水率含水率 电导的活化能电导的活化能E是决定电导的主要因子，是决定电导的主要因子，E是是由离解能量由离解能量U和迁移能和迁移能S两者来决定的。两者来决定的。 电导的活化能电导的活化能:每释放每释放1mol的束缚离子使其处于自的束缚离子使其处于自由状态所需的能量。由状态所需的能量。E=S+U/2n具有强极性的水分子能够具有强极性的水分子能够削弱离子与吸着点之间的削弱离子与吸着点之间的结合，所以电导活化能受

9、结合，所以电导活化能受木材含水率的影响。木材含水率的影响。n从绝干状态到纤维饱和点从绝干状态到纤维饱和点含水率，活化能下降，木含水率，活化能下降，木材电导率随含水率的增加材电导率随含水率的增加而急剧上升，增大为初始而急剧上升，增大为初始电导率的几百万倍；但从电导率的几百万倍；但从纤维饱和点至最大含水率，纤维饱和点至最大含水率，木材电导率的增加速度减木材电导率的增加速度减慢下来，仅增大几十倍，慢下来，仅增大几十倍，见图见图6-156-15。 （2温度 金属：电阻率随着温度升高而增大； 木材：电阻率则随温度的升高而变小； 当温度升高时，束缚离子被解离的概率增加，载流子数目随之增多，导致电导率增大。

10、在0以上范围内，温度对全干材影响最为显著，随温度增加，电阻率下降；从全干至纤维饱和点，随含水率的增加，温度影响变小。电导率与热力学温度T的经验关系式如下： （3纹理方向纹理方向 木材横纹理方向垂直于纤维方向的电阻率较顺纹理方向木材横纹理方向垂直于纤维方向的电阻率较顺纹理方向的电阻率大。的电阻率大。 针叶树材横纹理方向的电阻率约是顺纹理方向电阻率的针叶树材横纹理方向的电阻率约是顺纹理方向电阻率的2.34.5倍；倍； 在木材横纹理方向上，通常是弦向电阻率稍大于径向电在木材横纹理方向上，通常是弦向电阻率稍大于径向电阻率。阻率。 阔叶树材通常达到阔叶树材通常达到2.58.0倍。倍。 （4密度、树种和试

11、材部位 密度1、不同木材密度对于导电性也有一定的影响，但相比含水率，它们的影响又是极小的，甚至是没有意义的。 2、一般来说，木材密度大，电阻率大；电导率小。缘由：木材细胞壁实质的电阻率远较空气为小，电导率较密度小者为高。 (但影响效果不明显，甚至对于某些个别树种有相反情况) 3、从我国37种木材电阻率来看，不同密度的树种之间差异并不明显，仅密度差异较大的树种间，才能看出密度大者，电阻率稍低的趋势。 树种树种-电阻率产生差异。其差异大于密度因素影响的差电阻率产生差异。其差异大于密度因素影响的差异。因此，在直流式含水率电测仪中，通常设有树种异。因此，在直流式含水率电测仪中，通常设有树种因素的修正档

12、，因素的修正档， 试材部位试材部位-木材中不同部位的电阻率也存在差异。木材中不同部位的电阻率也存在差异。 主要是心材和边材之间，通常心材比边材电阻主要是心材和边材之间，通常心材比边材电阻率率 低，这也是因为心材比边材含有更多的抽低，这也是因为心材比边材含有更多的抽提物等内提物等内 含物质。含物质。 6.3.2 木材的介电性木材的介电性 交流电方向和强度按某一频率周期性变化的电流称交流电方向和强度按某一频率周期性变化的电流称为交流电。交流电按其频率的高低，大致可分为低频为交流电。交流电按其频率的高低，大致可分为低频(含含工频工频)、射频、射频(又称高频又称高频)。 木材的交流电性质是泛指木材在各

13、种频率的交流电木材的交流电性质是泛指木材在各种频率的交流电场作用下所呈现的各种特性，主要包括木材的介电性质场作用下所呈现的各种特性，主要包括木材的介电性质参数介电系数、损耗角正切、介质损耗因数等和交参数介电系数、损耗角正切、介质损耗因数等和交流电阻率或电导率的变化规律及影响因素。流电阻率或电导率的变化规律及影响因素。6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应低频交流电作用下木材的电热效应 6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性射频下木材的极化和介电性 6.3.2.3 木材的介电系数木材的介电系数6.3.2.4 木材的介电损耗木材的介电损耗 6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用木

14、材的介电性在木材工业中的应用n6.3.2.1 低频交流电作用下木材的电热效应低频交流电作用下木材的电热效应n在交流电的低频区域，木材的电学性质与直流电在交流电的低频区域，木材的电学性质与直流电情况下呈现同样特性。情况下呈现同样特性。n 例如，在绝干状态下木材电阻极高，随着含水例如，在绝干状态下木材电阻极高，随着含水率的增加电阻显著减小，这种变化到纤维饱和点率的增加电阻显著减小，这种变化到纤维饱和点以上时又趋于平缓。以上时又趋于平缓。 6.3.2.2 射频下木材的极化和介电性射频下木材的极化和介电性射频射频-是频率很高的电磁波，又称高频，其频率范围大约从是频率很高的电磁波，又称高频，其频率范围大

15、约从0.2MHz直至几百甚至几千兆赫。直至几百甚至几千兆赫。 在木材工业中，用于高频电加热的频率通常在在木材工业中，用于高频电加热的频率通常在110MHz的范围；用于微波干燥的频率为的范围；用于微波干燥的频率为915MHz或或2.45GHz。 介电性是指物质受到电场作用时，构成物质的带电粒子只能介电性是指物质受到电场作用时，构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质。产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质。介电体表现出介电性的物质。介电体表现出介电性的物质。 n其中其中a所示为金属等良导体在直流电场所示为金属等良导体在直流电场中通过电子的迁移产生了电流，中通过电子

16、的迁移产生了电流，b则表则表示介电体中的带电微粒在外电场的作用示介电体中的带电微粒在外电场的作用下排列发生变化，即发生了极化现象。下排列发生变化，即发生了极化现象。n木材中的极化现象有，电子极化、离子极化等。木材中的极化现象有，电子极化、离子极化等。n但在木材的介电性中，主要考察与木材细胞壁成分中但在木材的介电性中，主要考察与木材细胞壁成分中的极性基团相关的取向极化和与各向异性相关的界面的极性基团相关的取向极化和与各向异性相关的界面极化。极化。n 偶极取向极化：由于偶极分子或基团在外电场偶极取向极化：由于偶极分子或基团在外电场的作用下发生回转取向运动而产生的。在木材中不仅的作用下发生回转取向运

17、动而产生的。在木材中不仅有纤维素、半纤维素、木素的大分子发生取向极化，有纤维素、半纤维素、木素的大分子发生取向极化，而且木材中的而且木材中的-OH和和-CH2OH等极性基团在外电场的等极性基团在外电场的作用下也会相对于大分子的其它部分作回转取向运动作用下也会相对于大分子的其它部分作回转取向运动n界面构造极化：由于介电体的各向异性而产生的，界面构造极化：由于介电体的各向异性而产生的，在湿木材中，水分和细胞壁实质的导电性有明显的差在湿木材中，水分和细胞壁实质的导电性有明显的差别，在外电场作用下产生偶极矩，界面极化在加电场别，在外电场作用下产生偶极矩，界面极化在加电场后后10-310-8秒内产生。秒

18、内产生。 n绝干木材属于极性介电体。低含水率的木材绝干木材属于极性介电体。低含水率的木材也仍可以看作是极性介电体。随着含水率的也仍可以看作是极性介电体。随着含水率的上升，木材中离子的迁移率增大，因此高含上升，木材中离子的迁移率增大，因此高含水率的木材表现出明显的导电性，而介电性水率的木材表现出明显的导电性，而介电性不明显。不明显。n木材的介电性主要由介电系数和损耗角正切木材的介电性主要由介电系数和损耗角正切表示。表示。 6.3.2.3 6.3.2.3 木材的介电系数木材的介电系数（1 1介电系数介电系数 表征木材在交流电场作用下介质的极化强度和介电体存表征木材在交流电场作用下介质的极化强度和介

19、电体存储电荷能力的物理参数。储电荷能力的物理参数。 定义：木材介质电容器的电容量与同体积尺寸、同几何定义：木材介质电容器的电容量与同体积尺寸、同几何形状的真空电容器的电容量之比值。通常取为介质电容形状的真空电容器的电容量之比值。通常取为介质电容C C与与空气电容空气电容C0C0之比。之比。 介电系数值越小，电绝缘性越好，导电性能越差。介电系数值越小，电绝缘性越好，导电性能越差。 水的介电系数为水的介电系数为8181，硬质陶瓷的介电系数为，硬质陶瓷的介电系数为5.735.73，云母，云母的介电系数为的介电系数为7.17.77.17.7。绝干木材的介电系数约为。绝干木材的介电系数约为2 2，湿材的

20、，湿材的介电系数大于干材；介电系数大于干材； 木材横纹理方向的介电系数小于顺纹理方向。如绝干栎木材横纹理方向的介电系数小于顺纹理方向。如绝干栎木的顺纹介电系数为木的顺纹介电系数为3.643.64，横纹介电系数为，横纹介电系数为2.462.46。0CC（2影响木材介电系数的因素影响木材介电系数的因素 主要包括木材含水率、密度、频率、树主要包括木材含水率、密度、频率、树种、纹理方向、电场方向等。种、纹理方向、电场方向等。 含水率的影响含水率的影响 在温度和频率不变的条件下，木材的在温度和频率不变的条件下，木材的介电系数随含水率介电系数随含水率u的增加而增大。的增加而增大。 密度的影响密度的影响 木

21、材的介电系数随密度的增加而增大。由于实质率增大，单位木木材的介电系数随密度的增加而增大。由于实质率增大，单位木材体积内偶极子数目增多，增强了木材的极化反应，所以木材材体积内偶极子数目增多，增强了木材的极化反应，所以木材的介电系数随之增大。的介电系数随之增大。 频率的影响频率的影响 在相同含水率、温度条件下，木材介电系数随频率的增加而逐在相同含水率、温度条件下，木材介电系数随频率的增加而逐渐减小。在射频范围内，对介质极化起主要作用的是偶极子取渐减小。在射频范围内，对介质极化起主要作用的是偶极子取向运动引起的偶极极化；当频率不断升高时，偶极子的取向运向运动引起的偶极极化；当频率不断升高时，偶极子的

22、取向运动跟不上外施电场的变化，使极化作用降低，介电系数减小。动跟不上外施电场的变化，使极化作用降低，介电系数减小。 纹理方向纹理方向 木材介电系数具有各向异性。引起这种差异的主要原因在于木木材介电系数具有各向异性。引起这种差异的主要原因在于木材构造的各向异性，由于大多数的纤维素大分子的排列方向与材构造的各向异性，由于大多数的纤维素大分子的排列方向与细胞长轴方向近于平行，而且绝大多数细胞沿顺纹方向排列，细胞长轴方向近于平行，而且绝大多数细胞沿顺纹方向排列，纤维素非结晶区的羟基在顺纹方向比在横纹方向具有更大的自纤维素非结晶区的羟基在顺纹方向比在横纹方向具有更大的自由度，易于在电场作用下取向运动，所

23、以纵向的介电系数大于由度，易于在电场作用下取向运动，所以纵向的介电系数大于横纹方向。径向和弦向的介电系数之间差异很小。横纹方向。径向和弦向的介电系数之间差异很小。 顺纹方向的介电系数比横纹方向的介电系数大顺纹方向的介电系数比横纹方向的介电系数大30%60%，随着，随着含水率的升高。含水率的升高。 6.3.2.4 木材的介电损耗木材的介电损耗 木材处于交流电场中，由于偶极子运木材处于交流电场中，由于偶极子运动时的内摩擦阻力等相互间的作用，使介动时的内摩擦阻力等相互间的作用，使介质偶极矩取向滞后于外施电场的变化，宏质偶极矩取向滞后于外施电场的变化，宏观表现为通过介质的总电流观表现为通过介质的总电流

24、I在相位上滞后在相位上滞后于极化电流于极化电流Ic，这样每一周期中有一部分，这样每一周期中有一部分电能被介质吸收发热，这种现象称为介质电能被介质吸收发热，这种现象称为介质损耗。损耗。 功率因数：每周期之内有功功率热消耗功率与视在功率等于外施电压与总电流的乘积之比，在数值上等于热耗电流与总电流之比。 （2介质损耗因数也称介电损耗率）介质损耗因数也称介电损耗率） 等于介电系数与损等于介电系数与损耗角正切的乘积。木材作为介电材料时，希望介电损耗尽量耗角正切的乘积。木材作为介电材料时，希望介电损耗尽量小；当在高频加热和胶合木材时，希望介电损耗大，功率因小；当在高频加热和胶合木材时，希望介电损耗大，功率

25、因数高，发热量大，使木材的加热和胶合效果好。数高，发热量大，使木材的加热和胶合效果好。 （1损耗角正切和功率因数损耗角正切和功率因数 损耗角正切损耗角正切tg：介质在交流电场中每周期内热消耗的：介质在交流电场中每周期内热消耗的能量与充放电所用能量之比，在数值上等于热耗电流能量与充放电所用能量之比，在数值上等于热耗电流IR与与充放电电流充放电电流IC之比。之比。（3 3影响木材介质损耗的主要因素影响木材介质损耗的主要因素 含水率的影响含水率的影响 在相同频率下，木材损耗角在相同频率下，木材损耗角正切与含水率正切与含水率u u的关系为：在纤维饱和点以下，的关系为：在纤维饱和点以下，随随u u的增加

26、而明显增大，但是在纤维饱和点以上，的增加而明显增大，但是在纤维饱和点以上，这种变化趋于平缓。这种变化趋于平缓。 频率的影响频率的影响 木材的介质损耗与频率的关系十分复杂。木材的介质损耗与频率的关系十分复杂。n 密度的影响密度的影响 n 介质损耗因数与密度介质损耗因数与密度有着明显的正相有着明显的正相关关系，随关关系，随的增加线性地增大。的增加线性地增大。n 纹理方向的影响纹理方向的影响 n 木材的损耗角正切和介质损耗因数：木材的损耗角正切和介质损耗因数：主要表现在其顺纹方向的测量值大于横主要表现在其顺纹方向的测量值大于横纹方向纹方向(径向和弦向径向和弦向)，横纹中通常是径，横纹中通常是径向测量

27、值略高于弦向向测量值略高于弦向 6.3.2.5 木材的介电性在木材工业中的应用木材的介电性在木材工业中的应用 (1)交流介电式水分仪交流介电式水分仪 通过测定木材的介电参数并将其转化成含水率的方通过测定木材的介电参数并将其转化成含水率的方法可以测定木材的含水率。法可以测定木材的含水率。 (2)木材及木制品的高频热固化胶合工艺木材及木制品的高频热固化胶合工艺 木材在低含水率状态下属于极性介电体，所以当把木材在低含水率状态下属于极性介电体，所以当把热固性的湿胶黏剂施于木材表面时，由于两者的介热固性的湿胶黏剂施于木材表面时，由于两者的介电性不同，可以达到选择性加热的目的。胶黏剂在电性不同，可以达到选择性加热的目的。胶黏剂在高频电场中产生的介电损耗比干木材大得多，因此高频电场中产生的介电损耗比干木材大得多，因此损耗的电能转化成热能，使胶黏剂的温度迅速升高，损耗的电能转化成热能，使胶黏剂的温度迅速升高，产生热聚