中科大俞書宏Science?Advances：新型仿生人工木材

【研究背景】

木材，是人類應用最早和最廣泛的輕質高強材料之一，其獨特的取向孔道結構一直吸引著材料學家的興趣。隨著對木材結構和功能關系研究的不斷深入，科學家們對通過仿木材取向孔道結構來實現輕質高強性能的課題產生了濃厚興趣，因此，木材啟發的仿生材料也逐漸成為仿生領域中的一大熱點。取向冷凍技術是制備各向異性的取向孔道材料的常用方法，傳統的仿木頭材料主要是利用聚合物（如PVA，殼聚糖等）或陶瓷粉末經過取向冷凍技術制備而來，但是傳統的仿木頭材料不僅可調控性差，而且力學性能遠低于天然木材，特別是陶瓷基仿木頭材料還需要經過高溫燒結（通常>1500 ?C）。因此，如何研制真正具有輕質高強特點的仿木材結構材料是仿生材料研究領域面臨的挑戰。

【成果簡介】

最近，中國科學技術大學俞書宏教授課題組開發了一種冰晶誘導自組裝和熱固化相結合的技術，以傳統的熱固性樹脂（如酚醛樹脂和密胺樹脂）為基體材料，成功研制了一系列的樹脂基仿生人工木材。這種方法不僅可以很容易地與各種納米材料復合來制備多功能的復合木頭材料，而且很容易進行放大制備。所開發的酚醛樹脂基仿生木材和密胺樹脂基仿生木材不僅具有類似木頭的取向孔道結構，而且其壁厚、孔道尺寸具有很好的可控性。研究發現，這種仿生木材具有很高的軸向壓縮強度，與天然木材相當，優于傳統的陶瓷基仿木頭結構材料。由于采用樹脂做為基體材料，人工木材表現出優異的耐水、耐酸腐蝕的特性，在水和酸溶液（pH3）中浸泡一個月強度沒有任何影響。通過復合納米材料，可以實現其優異的防火和隔熱性能，結合其輕質高強的特點，這種新型仿生木材的綜合性能優于多種氣凝膠材料、工程材料和商業產品等。2018年8月10日，相關研究成果以“Bioinspired?polymeric wood”在線發表在Science?Advances上，中國科學技術大學的博士后于志龍和碩士生楊寧為該論文的共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1.?基于取向冷凍技術的傳統樹脂（酚醛樹脂和密胺樹脂）基仿生人工木材的制備過程、結構示意圖和一系列仿生木材。

（A）樹脂聚合物的混合溶膠，

（B）取向冷凍和干燥后具有取向孔道結構的聚合物干膠，

（C）固化后的樹脂基仿生木材，

（D）酚醛樹脂基（上：CPF）和密胺樹脂基（下：CMF）仿生木材實物照片，

（E）利用不同的離子、納米材料制備復合人工木材示意圖，

（F）多種密胺樹脂基的復合人工木材的實物照片。

圖2.?天然巴爾杉木和人工木頭的結構對比掃描電鏡（SEM）照片。

（A-C）巴爾杉木和橫縱切面的SEM照片。（D-F）典型的CPF人工木頭材料和橫縱切面SEM照片。

（G-I）典型的CMF基人工木頭材料和橫縱切面SEM照片。（J-L）酚醛樹脂/石墨烯（CPF/GO）復合木頭和橫縱切面SEM照片。

（M）CPF人工木頭材料的3D重構圖像。

圖3.?人工木頭的力學性能表征。

（A）CPF和CMF的軸向壓縮曲線，

（B）CPF樣品的相對壓縮強度、相對壓縮模量與相對密度的關系，

（C）人工木材與自然材料和多種工程材料力學性能的Ashby圖。

圖4.?人工木材的耐腐蝕和隔熱性能。

（A）人工木材在水和硫酸溶液中浸泡前后的力學壓縮曲線，

（B）人工木材與巴爾杉木和商業酚醛泡沫的各向異性熱導率的對比，

（C）各向異性孔道中熱量傳遞機理示意圖，

（D）人工木材和多種工程材料、氣凝膠材料的熱導率和比強度的對比圖。

圖5.?人工木材的防火性能和巴爾杉木的易燃性對比。

（a）CMF人工木材，

（b）CPF人工木材，

（c）CPF/GO復合木材，

（d）巴爾杉木。

?【小結】

研究人員利用取向冷凍和熱固化相結合的技術，成功制備了一系列樹脂基仿生人工木材，通過復合多種納米材料可以制備多功能的復合人工木材，這類新型仿生人工木材具有輕質高強、耐腐蝕和防火隔熱等優點，綜合性能優異。這種新的仿生制備策略成功地將傳統的商業樹脂材料開發成高附加值的仿生工程材料，這類新型仿生工程材料的多功能性不僅優于傳統的工程材料，而且有望代替天然木材，實現在苛刻條件下的應用。此外，這種合成方法為制備和加工一系列高性能仿生工程材料提供了思路，其功能的可設計性等優點有助于拓寬該方法和該材料在多種技術領域中的應用。

該工作得到了得到了國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。

論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat7223

課題組主頁：http://staff.ustc.edu.cn/~yulab/

本文由俞書宏教授課題組供稿，材料牛編輯整理。

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