多尺度X射线CT可视化微波膨化木材孔隙结构以用于可持续材料开发

《Sustainable Materials and Technologies》：Multi-scale X-ray CT visualization of the pore architecture in microwave-puffed wood for sustainable material development

　　

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  多尺度CT技术可直观呈现MPW的三维孔隙结构。
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  微波处理产生的裂纹腔体与木材导管系统相互贯通。
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  MPW是制备可持续木材复合材料的理想多孔模板。

引言

全球可持续发展的紧迫需求促使人们不断寻求高性能绿色材料。木材作为一种可再生且天然的多孔材料，提供了一个极具吸引力的答案。其物理、力学及功能性能受到复杂的、多尺度内部孔隙结构的支配[1]、[2]、[3]。然而，要充分发挥这一潜力，需要对孔隙结构进行精确控制——包括其形态、分布及连通性——从而设计制造出具有定制特性的高性能木质材料[4]、[5]、[6]。工程木材复合材料，如木塑复合材料和木-金属混杂材料，便是此类材料的典型代表，在地板和外墙挂板等领域的应用日益广泛。限制其更广泛应用的一项关键技术瓶颈在于实现木材基体与第二相材料之间有效的浸渍渗透和牢固的界面结合。

微波处理是一种绿色高效的木材改性预处理技术。在该技术中，高能微波场引发快速的内部蒸汽爆裂效应。木材固有水分的瞬间汽化产生巨大的内部压力，当该压力超过木材薄弱组织结构承受强度时，便导致其破裂。由此所得的微波膨胀木材（MPW），具有独特且丰富的内部裂纹腔体系统。这些宏观孔隙不仅赋予MPW丰富的孔隙结构和显著增强的渗透性，还使其成为制造下一代可持续材料的基础模板。这一独特的孔隙系统对于聚合物、树脂或功能化学品的深层均匀渗透至关重要，是实现高性能复合材料中优异机械互锁和定制功能特性的前提条件[7]、[8]、[9]。然而，目前对MPW中孔隙结构如何促进其优异浸渍性能的定量理解仍然不足。这一知识空白尤其阻碍了对MPW作为可持续工程多孔模板的针对性优化。

近年来，X射线计算机断层扫描（CT）和三维（3D）可视化技术的进步彻底革新了具有复杂内部结构的材料无损数字化表征方式[10]。这些成像技术能够在不改变材料原始状态的情况下，对结构特征进行高分辨率、多尺度可视化及定量分析。对于多孔材料而言，其宏观性能在很大程度上取决于内部孔隙结构的几何和拓扑特征。例如，孔隙率直接影响密度、比表面积、渗透率和力学强度[11]、[12]、[13]，而孔隙的相互连通性及孔隙网络的形成则决定了流体能否穿透材料并到达目标位置[14]。通过图像重建，CT扫描通过将灰度CT图像转化为二值图像来捕获孔隙信息，从而有效区分材料基体与孔隙。该方法已被广泛应用于多种多孔体系的研究，包括金属泡沫、天然多孔材料和某些可持续多孔材料[15]、[16]、[17]。在天然多孔体系中，木材因其结构的复杂性和层级性而尤为突出，其表征从这些技术进步中获益匪浅。CT和3D可视化在研究天然多孔体系中发挥着至关重要的作用，例如表征植物根系中的水分传输[18]。

在木材科学领域，CT成像已被用于研究密度分布、水分迁移、细胞形态及缺陷检测[19]、[20]、[21]。根据材料尺度不同，不同的CT系统可实现多尺度和多分辨率分析，如用于结构木柱大规模检测的机器人CT扫描、用于木材产品质量筛查的工业CT，以及用于观察更精细结构细节的高分辨率微CT[22]、[23]、[24]。尽管基于CT的可视化技术推动了木材及木材制品的研究，但针对内部孔隙架构的全面定量研究——特别是针对如MPW这类高度多孔且经过功能性改性的材料——仍然缺乏，这使得在理解其作为可持续工程多孔模板的性能结构基础方面存在知识空白。

本研究旨在利用多尺度X射线CT和3D可视化技术，对MPW的孔隙结构进行数字化定量表征，从而填补现有研究空白。我们重建了微波预处理所产生的三维内部孔隙结构，并对其形态参数进行了定量测量。分析重点聚焦于裂纹腔体的三个关键特征：几何形态、空间分布和孔隙间连通性。这种系统性的孔隙架构表征阐明了MPW高渗透性的结构基础。通过建立清晰的"结构-性能"关系，本工作为优化MPW作为大规模工程多孔模板以制造高性能可持续复合材料提供了理论基础。此外，本研究还建立了一个数字化表征框架，将先进成像技术与理性材料设计相结合，支持数据驱动的范式以加速下一代木质绿色材料的开发。

章节摘要

材料与样品制备

选用人工桉树（Eucalyptus alba Reinw. ex Blume）作为原材料，尺寸为80 mm（径向，R）× 200 mm（弦向，T）× 1550 mm（纵向，L），气干密度为0.56 g/cm³。为进行微波处理实验，首先将木材锯切为两段，其中一段尺寸为80 mm（R）× 200 mm（T）× 1200 mm（L），用于微波处理；另一段尺寸为80 mm（R）× 200 mm（T）× 300 mm（L），作为对照样品保留。

MPW的低分辨率CT分析

为系统解析MPW的孔隙架构，开展了多尺度分析，涵盖从宏观裂纹到木材固有微观结构的完整范围。研究以低分辨率CT扫描开始，旨在捕获最大结构特征——即微波诱导产生的裂纹腔体的整体分布。

试样SA的尺寸代表了实际工业加工中所使用的全尺寸木材结构，且

结论

本研究建立了多尺度X射线CT可视化框架，用于对微波膨胀木材（MPW）的孔隙架构进行定量表征。结果表明，微波预处理在MPW中创造了层级化的孔隙结构，将大型纺锤形裂纹腔体与天然木材固有的导管网络相融合。这些宏观裂纹沿纵向和径向呈现各向异性分布，显著增加了总孔隙

CRediT作者贡献声明

Yu Zhang：撰写——初稿、方法论、调查研究、正式分析、数据管理。Yongle Zhang：调查研究。Yixian Ma：数据管理。Weisheng Sun：调查研究。Feng Fu：验证、监督、方法论。Lanying Lin：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（2022YFD2200703）的支持。

Yu Zhang|Yongle Zhang|Yixian Ma|Weisheng Sun|Feng Fu|Lanying Lin