張 宏 ，馬 巖，張兆國 ，蘭海鵬 ，雷福祥

（1.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 塔里木大學，新疆 阿拉爾 843300；3. 昆明理工大學，云南 昆明650500）

溫-185核桃殼斷口形貌的研究

張 宏1.2，馬 巖1，張兆國3，蘭海鵬2，雷福祥2

（1.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 塔里木大學，新疆 阿拉爾 843300；3. 昆明理工大學，云南 昆明650500）

為正確選擇破殼方法，通過觀察溫-185核桃殼的斷口形貌，依據斷口表面微觀細胞形貌的不同，將核桃殼的斷口分為疏松區(qū)、致密區(qū)和過渡區(qū)三個區(qū)域，并采用數學分析的方法對這三個區(qū)域的微觀結構進行了統(tǒng)計及描述。判斷為核桃殼體斷裂時體現為外層脆斷內層韌性斷裂行為，而在內外相連的區(qū)域呈混合斷裂狀態(tài)。致密區(qū)占有總體高度的55.6%，而疏松區(qū)占有24.2%，因此核桃在總體致密區(qū)細胞占有絕對優(yōu)勢，同時疏松區(qū)的細胞較致密區(qū)體積大，意味著在相同體積內疏松區(qū)較致密區(qū)細胞的數量明顯少。因此溫185核桃殼體在宏觀上呈現了脆性特征，該結果可以為機械自動破殼方法提供參考。

核桃殼；斷口；形貌；電鏡觀察

國內核桃加工生產起步晚， 技術相對落后，主要體現在加工規(guī)模小、 產品種類少、 產品市場影響力低，加工水平遠遠落后于國外。當前核桃科研單位也研制出了不少核桃加工設備，如青核桃脫皮機、核桃清洗機、核桃清選機、 核桃分級機以及多種核桃破殼機，但由于缺乏對核桃破殼過程的研究，使得目前國內的核桃破殼機總是存在一定的技術缺陷。

在國內外研究核桃破殼方面的研究人員已經做了許多工作。研究主要集中在以下方向上[1-5]：a.加載速度和堅果大小對力學特性的影響；b.加載加速度和堅果大小對力學特性的影響；c.基于有限元方法的堅果力學特性研究；d基于斷裂力學和殼體力學的力學特性研究。但關于核桃殼體在微觀條件下斷面的觀察與分析的研究國內外均未見報道。為此本文對核桃破殼的過程進行了研究，從核桃破殼的機理上探討了核桃破殼的過程，只有這樣才可以設計出破殼效率高，破殼方法正確的核桃破殼設備[6-13]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所選核桃品種為溫185、儲存半年左右、原始質量含水率為6.22%。

1.2 試驗方法

取常溫儲存的核桃?guī)熘腥我?0個核桃。為獲得比較全面的斷口形態(tài)，試驗中將新疆溫185核桃依照不同部位（軸部、徑部、棱部）編號并取樣（見圖1），分別取材于1、3、5，進行掃描電鏡的觀察。

圖1 SEM觀察取樣部位Fig.1 Sections of samples observed by SEM

1.3 儀器與設備

掃描電子顯微鏡SEM（JEM-1200EX）；恒溫恒濕箱（CTHI-150(A)B型，施都凱儀器設備有限公司）；電子天平（FA2004）。

2 核桃殼斷口的觀察

2.1 電鏡樣品的制作

取核桃殼不同部位的樣品若干，然后將樣品利用雙面膠粘于觀測基座上，將觀測核桃殼的斷面部位露于上端，噴金后放入掃描電子顯微鏡試驗臺進行觀察。由于電鏡樣品在制作的時候對斷面無任何物理和化學損傷，因此在觀測時可以真實反映斷面的實際情況。

2.2 核桃殼斷口的分類

試驗中對溫185核桃殼的斷口在掃描電子顯微鏡（SEM）下進行了觀察，通過觀察研究發(fā)現核桃殼斷面如圖2所示。根據圖2（a）、2（b）、2（c）的斷面情況，可見雖取材于核桃的部位不同，在相同放大倍數（400.00 μm）的情況下，其斷面形貌大致相似。因此這里可以取2（a）圖作為研究對象，在斷口處微觀組織的變化可以將核桃殼斷面可以分為3個區(qū)域。根據組織排布致密程度的不同把這3個區(qū)域分別定義為疏松區(qū)、致密區(qū)和過渡區(qū)見圖2（d）。

2.3 核桃殼斷口各區(qū)的形態(tài)描述

2.3.1 致密區(qū)的形態(tài)描述

圖2 核桃斷面形貌及分類Fig.2 Cross section morphology and classification of wen-185 walnut shell

致密區(qū)細胞的形貌比較完整（見圖3a），斷口處的細胞為球狀或橢球狀，中間間或有輸送養(yǎng)料的管狀通道。球狀或橢球狀細胞斷裂時裂紋是沿著細胞的界面開裂的，屬于沿胞斷裂。出現此種斷裂的主要原因是該區(qū)域細胞的尺寸較小，單位體積細胞的密度較大。當受到外加載荷的作用是，整個區(qū)域的細胞受力均勻，并且單個細胞受到的載荷不大，細胞在感受到外界載荷時細胞界面的強度小于細胞壁的強度，由于裂紋擴展時是沿著受力最弱的方向進行的。圖3a中斷口處很少能觀察到細胞的破壞，而使破壞主要出現在細胞與細胞之間的界面處，因而圖3a中斷口呈現沿胞斷裂的形式。在得知沿胞斷裂形式的情況下，以圖3a中裂紋穿過細胞界面且裂紋面方向發(fā)生了顯著的改變?yōu)樽C明；可以推斷，裂紋在萌生和擴展時“覺察”到細胞界面的存在[3-4]，即細胞界面破壞的能量小于破壞細胞壁的能量而形成了圖3a的形態(tài)。

從力學角度分析：細胞壁的力學性能強于細胞界面，因而導致沿著細胞界面斷裂。在晶體中的沿晶斷裂定義為沿晶界析出連續(xù)或不連續(xù)的網狀脆性相時，在外力的作用下，這些網狀脆性相將直接承受載荷，很易于破碎形成裂紋并使裂紋沿晶界擴展，造成試樣沿晶界斷裂，它是完全脆性的正斷。由于核桃殼體明顯為脆性材料，因此在這里我們有理由相信在致密區(qū)里的這種脆斷進一步驗證了核桃殼體的脆性特性。經測量圖2d該部分位置高度約為540.00 μm，占總體高度的55.6%。

2.3.2 疏松區(qū)的形態(tài)描述

疏松區(qū)的破壞主要出現在細胞內部（見圖3b），斷口處的呈蜂窩狀。斷裂時裂紋是沿著細胞的內部開裂的，屬于穿胞斷裂。出現此種斷裂的主要原因是該區(qū)域細胞的尺寸較大（相對于致密區(qū)），單位體積細胞的密度較小。當受到外加載荷的作用是，整個區(qū)域的細胞受力易出現不均勻的現象，同時單個細胞承受的載荷相對較大，超過了單個細胞的斷裂強度，而此時的外力還未達到細胞與細胞之間的界面強度，同時細胞的破壞還釋放了部分應力，使界面受力減小，所以在斷口處觀察到的大都是細胞的破壞，而很少觀察到細胞與細胞之間的界面破壞，最終才使斷口呈現沿晶斷裂的形式[5]。

從力學角度分析：該區(qū)的細胞均為細胞壁斷口（見圖3b），呈蜂窩狀。由此可見，在斷裂時是沿著細胞壁開裂，此時，細胞壁的力學性能弱于細胞界面因而導致沿著細胞壁斷裂。在細胞中穿過胞斷裂時裂紋穿過細胞內部擴展。穿胞斷裂可以是宏觀塑性斷裂，也可以是宏觀脆性斷裂。在這里我們認為，由于核桃內部的濕度高于外表皮，因而此處呈現韌性特性而導致其為穿胞斷裂形貌。經測量該部位高度約為196.00 μm，占總體高度的20.2%。

圖3 核桃殼斷口各區(qū)的形態(tài)描述Fig.3 Morphological description of each zones of walnut shell fracture

2.3.3 過渡區(qū)的形態(tài)描述

該區(qū)的細胞為沿細胞壁和細胞壁斷口的混合狀態(tài)（見圖3c）。由此可見，在斷裂時既有沿著細胞壁開裂也有在斷裂時是沿著細胞壁開裂。在這里我們認為，此區(qū)域為細胞界面斷裂和穿過細胞壁斷裂的混合區(qū)域，故此稱之為過渡區(qū)。經測量該部位高度約為235.00 μm，占總體高度的24.2%。

3 核桃殼斷面形貌定量描述

3.1 致密區(qū)的細胞測量

在致密區(qū)里細胞外形較為完整，形態(tài)呈球形、橢球形及其他異形，但大多數以球形和橢球形為主，在此由于球體能較好的描述。下表就圖3a以球形（細胞外表面）的大致尺寸范圍列出。

圖4 對圖3a的測量Fig.4 Measurement of the fig.3a

測量方法，按照比例尺在CAD中依照比例將50.00 μm放大至50.00 mm，用圓形測量細胞直徑，例如第一個細胞測量值為33.06 mm，轉換為真實測量值為33.06 μm。經測量，橫坐標表示細胞的編號，縱坐標表示細胞的直徑大小，繪制細胞直徑分布圖（見圖5）。

圖5 致密區(qū)的細胞直徑分布Fig.5 Cell diameter distribution of the dense zone

由上圖可知，在圖細胞最大值為42.85 μm；最小值為16.09 μm；均值為25.41 μm。細胞尺寸多數集中在20.00～35.00 μm之間，可以推斷，在致密區(qū)域起強度作用的細胞直徑是20.00～35.00 μm

3.2 疏松區(qū)的細胞測量

同樣，依照圖4測量方法測量疏松區(qū)的細胞直徑，依然采用橫坐標表示所測細胞的序號，縱坐標表示細胞的直徑大小，繪制細胞直徑分布圖（見圖6）。

圖6 疏松區(qū)的細胞直徑分布Fig.6 Cell diameter distribution of the loose zone

由上圖可知，細胞最大值為52.75 μm；最小值為27.36 μm；均值為39.55 μm細胞尺寸大多數集中在30.00～50.00 μm之間，可以推斷，在致密區(qū)域起強度作用的細胞直徑為是30.00～50.00 μm。

在致密區(qū)域起強度作用的細胞直徑是20.00～35.00 μm，而在疏松區(qū)的細胞尺寸大多數集中在30.00～50.00 μm之間，顯然可知致密區(qū)的細胞較致密區(qū)體積大。通過測量在同一面積內測量細胞數致密區(qū)為48個而疏松區(qū)為32個，可知在相同體積內疏松區(qū)較致密區(qū)細胞的數量明顯少。通過以上分析核桃殼取樣于不同部位強度有所差異，但通過核桃殼的斷口形貌觀測核桃殼的細胞組織形態(tài)是相同的。

4 結 論

溫185核桃殼依據斷口表面微觀細胞形貌的不同，可分為疏松區(qū)、致密區(qū)和過渡區(qū)三個區(qū)域，其中致密區(qū)占有總體高度的55.6%，而疏松區(qū)占有24.2%。根據斷裂力學和核桃殼自身的機構可知，因此溫185核桃殼體在宏觀上呈現脆性特征，沖擊載荷作用更加利于溫185核桃破殼。

[1] 吳子岳.綿核桃剝殼取仁機械的研究[J].農業(yè)工程學報,1995,11(12):64-69.

[2] 史建新,趙海軍,辛動軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術研究[J].農業(yè)工程學報,2005,21(4):185-188.

[3] Derek Hull.斷口形貌學[M].李曉剛,董超芳,杜翠薇譯.北京:科學出版社,2009.

[4] 林河通,陳紹軍,席玙芳,等.龍眼果皮微細結構的掃描電鏡觀察及其與果實耐貯性的關系[J].農業(yè)工程學報,2002,5(3):95-98.

[5] 李心平,高連興.種子玉米籽粒果柄斷裂機理試驗研究[J].農業(yè)工程學報,2007,23(11):47-51.

[6] 張 宏.新疆核桃生產機械化的思考[J]. 林業(yè)機械與木工設備,2011,39(2):13-14.

[7] 王經洲,鄭 曉,宛 農,等.基于掃描電鏡圖像分析的菜籽仁餅孔隙結構分形研究[J].農業(yè)工程學報,2008,24(3):16-20.

[8] 張正勇,朱文學.牡丹的電鏡觀察及其干燥特性分析[J].農業(yè)工程學報,2001,17(5):118-121．

[9] 吳 杰,郭康權,顧 蓉,等.庫爾勒香梨不同膨壓水平下的動態(tài)粘彈特性[J].農業(yè)機械學報,2010,41(9):113-117．

[10] 王芬娥,黃高寶,郭維俊,等.小麥莖稈力學性能與微觀結構研究[J].農業(yè)機械學報,2009,40(5):92-95．

[11] 朱燦燦,耿國民,周久亞,等.南京早期引種的薄殼山核桃不同單株果實品質分析[J].經濟林研究,2012,30(2):10-14．

[12] 宋 雪,石卓功,尹加筆,等.云南德宏州油茶優(yōu)株果實品質評價及其相關性分析[J].經濟林研究,2011,29(3):22-27．

[13] 侯元凱,黃 琳,楊超偉,等.文冠果種子性狀與果實性狀的相關性研究[J].中南林業(yè)科技大學學報2011,31(9):24-27．

Experimental study on fractography of wen-85 walnut shell

ZHANG Hong1,2, MA Yan1, ZHANG Zhao-guo3, LAN Hai-peng2, LEI Fu-xiang2
(1.College of Engineering, Northeast Forestry University University, Harbin 150040, Heilongjiang, China;2. College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, Xinjiang, China;
3. College of Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, Yunnan, China)

In order to correctly choose the method of breaking walnut shell, the fracture of wen-185 walnut shell was divided into three zones (loose zone, dense zone and the transition zone) through observing the fracture morphology and according to the different microscopic cell morphology of the fracture surface，and by adopting mathematical analysis method, the three zones’ microstructure statistics and description were carried out. The results show that the fracture behaviors of the inner were failure and the outer layer were brittle failure,while the transition zone appeared a mixed fracture status of gliding and brittle; the dense zone’s height occupied 55.6% of the total height of the shell, while the loose zone’s occupied 24.2%, so the walnut had an absolute advantage of cells in dense zone, the loose zone’s cell volume were bigger than that of the dense zone’s. Therefore, the wen-185 walnut shell shows a macroscopic brittle characteristic.

walnut shell; fracture; fractography; electron microscopic observation

S792.13

A

1673-923X(2013)09-0103-04

2012-12-17

國家自然科學基金項目（31160196）

張 宏（1975-），男，內蒙古武川人，副教授，博士生，主要從事農業(yè)機械化電氣化研究；E-mail：zhghog@163.com通訊作者：馬 巖（1955-），男，吉林榆樹人，教授，從事林業(yè)與木工機械方面的研究；E-mail：mayan@vip163.com

[本文編校：吳 毅]