脆弱有机质文物力学强度测试新方法研究系列（一）
1. A Quasi-Nondestructive Evaluation Method for Physical-Mechanical Properties of Fragile Archaeological Wood with TMA: A Case Study of an 800-Year-Old Shipwreck [J]forests 2022, 13(1):38.
2. 微损测试饱水木质文物抗弯强度的新方法[J]. 文物保护与考古科学,2023,35(5):83-88.
3. 常见丙烯酸酯乳液加固脆弱考古出土漆膜的实验室研究[J]. 文物保护与考古科学，2024,36(2):13-21.
4. 故宫棚壁糊饰修复用竹纸老化性能评价[J].光谱学与光谱分析,2023,43(06):1968-1973.
5. Anti-Cracking TEOS-Based Hybrid Materials as Reinforcement Agents for Paper Relics. Molecules 2024, 29, 1834.
6. 一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法，专利号ZL202111116118.7，授权日期2022.7.22.
（一）微损测试饱水木质文物力学强度新方法
力学性能是考古出土饱水木质文物进行保存状况评估的基础信息，亦是保护工作中加固增强的核心任务。然而，考古木材是一种因长时间降解而发生性质劣变的“新材料”，现有木材科学理论与评估方法已无法完全适用。囿于取样量和尺寸，饱水木质文物的宏观力学性能表征长期以来面临较大困难，亟需开发适用于饱水木质文物的微损、精确测试力学强度的新技术。韩向娜课题组以“南海I号”沉船出水的马尾松船板为对象，开展 静态热机械分析仪（TMA）作为饱水木质文物力学测试新方法的适用性研究，尝试建立木质文物抗弯性能的微损取样测试方法，并初步探究了TMA抗弯测试结果与木材样品的降解程度间的关联性。
实验方法：采用Leica 2010R 平推式切片机制备厚度为0.3 mm的饱水考古木材径切面薄片，干燥后手工裁切为约10 mm×2 mm（L×R）的TMA抗弯试样。抗弯强度测试中，TMA使用石英弯曲探针和配套组件，如图1所示，跨距L为5 mm，初始载荷0.1 mN，加载速度5 mN/min，直至试样断裂（图2b），获得探针实时位移F-载荷曲线D（图2c）。利用VHX-6000超景深显微镜测量试样的宽度b和厚度d，精度为0.01 mm（图2a、b）。由公式1、2计算样品断裂时的抗弯强度σ和断裂应变ε，每组样品30个。应力应变曲线（图2d）中0~I为弹性形变区间，I~II为塑性形变区间，试样于点II时断裂。
图1 TMA测试考古木材的力学性能：
(a)抗弯测试组件示意图 (b)抗弯测试实测图
图2 考古木材的TMA抗弯测试实验:
（a）断口形貌（b）断裂位置
（c）实测载荷-时间和位移-时间的曲线 （d）应力-应变曲线
对健康木材R1、中度降解木材样品N1和重度降解木材样品N2和N3进行TMA抗弯测试，选取置信水平在0.95以上的力学数据（见图3a），计算可得N1~N3的抗弯强度均值分别为5.990±4.156 Mpa、4.583±2.458 Mpa、4.097±1.844 Mpa（图3b），而健康木材的强度则高达38.982±22.760 Mpa。与健康木材相比，三组考古木材的抗弯强度分别降低了84.6%、88.24%和89.49%。ANOVA分析显示，三组饱水考古木材与健康木材的力学强度处于显著不同的水平，而其中N1的力学强度又与N2和N3显著不同，断裂应变结果也存在相同的规律。此结果表明，考古木材的抗弯强度和抗弯韧性均随着木材降解程度的增大而降低，相同降解程度的考古木材则力学性能相近。说明通过TMA抗弯测试能够有效区分不同降解程度的考古木材。
图3 （a）考古木材的抗弯强度-断裂应变及95%置信区间
（b）各组样品的抗弯强度均值
结论：在脆弱饱水考古木材的力学性能测试上，TMA提供了一种可有效避免大量破坏性研究的微损测试方法，其优势在于所需样品量远小于常规方法，且具有极高的精确度，尤其适用于常规方法难以检测的极端脆弱的木质文物。通过此方法直接获得了可信的抗弯强度数据，且与木材的降解程度呈现出显著的负相关性。此方法所需抗弯试样尺寸仅为10 mm×2 mm×0.3 mm。根据木材的均一性不同，约10~20个试样即可达到重复性较好的测试结果，测试所需样品总量不超过1cm³。未来研究中将进一步积累实测数据，阐明所测物理力学性能与考古木材性质及文物整体性能的联系，以期为考古木材的劣化机制、保存状况评估等科学认知研究提供新方法，为脆弱木质文物的保护研究提供科学支撑。
作者简介：
吴梦若，北京科技大学科技史与文化遗产研究院博士生。
韩向娜，北京科技大学科技史与文化遗产研究院副教授，硕士生导师，研究方向为文物保护材料与技术。
合作者为秦振芳硕士，韩刘杨博士，国家文物局考古中心张治国研究员。
该成果发表于
1. A Quasi-Nondestructive Evaluation Method for Physical-Mechanical Properties of Fragile Archaeological Wood with TMA: A Case Study of an 800-Year-Old Shipwreck [J]forests 2022, 13(1):38.
链接： https://doi.org/10.3390/f13010038
2. 微损测试饱水木质文物抗弯强度的新方法[J]. 文物保护与考古科学,2023,35(5):83-88.
链接：DOI: 10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20211202380
3. 一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法
专利号：ZL202111116118.7
