中國(guó)科大研制出仿生人工木材

    天然木材的獨(dú)特取向孔道結(jié)構(gòu)賦予其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，有關(guān)仿木頭結(jié)構(gòu)的研究是國(guó)際上仿生材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。然而，傳統(tǒng)的仿木頭結(jié)構(gòu)材料是“徒有其型”，以往研究實(shí)現(xiàn)取向孔道結(jié)構(gòu)的模仿，但其力學(xué)性能遠(yuǎn)不能令人滿意。例如，目前開(kāi)發(fā)的陶瓷基仿木頭結(jié)構(gòu)材料，密度高、強(qiáng)度低、缺陷多，且制備過(guò)程需要高溫?zé)Y(jié)（通常>1500℃）。因此，如何制備真正具有輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)的仿木材結(jié)構(gòu)材料是仿生材料研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書(shū)宏帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，發(fā)展了一種冰晶誘導(dǎo)自組裝和熱固化相結(jié)合的新技術(shù)，以傳統(tǒng)的酚醛樹(shù)脂和密胺樹(shù)脂為基體材料，研制出一系列具有類似天然木材取向孔道結(jié)構(gòu)的新型仿生人工木材。該系列仿生人工木材具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕和隔熱防火等優(yōu)點(diǎn)。8月10日，相關(guān)研究成果以Bioinspired polymeric woods為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，Science雜志科學(xué)新聞以This synthetic wood is as strong as the real thing—and won’t catch fire為題，對(duì)該成果進(jìn)行報(bào)道。論文的共同第一作者為博士后于志龍和碩士生楊寧。

　　研究人員研制的一系列樹(shù)脂基仿生人工木材，具有類似天然木材的取向孔道結(jié)構(gòu)，并且壁厚和孔尺寸具有很好的可調(diào)控性（圖1）。這種方法可以復(fù)合多種納米材料以制備多功能復(fù)合人工木材，而且簡(jiǎn)單高效，容易放大生產(chǎn)。這種取向孔道結(jié)構(gòu)的人工木材具有突出的機(jī)械性能，壓縮屈服強(qiáng)度優(yōu)于已開(kāi)發(fā)的多種仿木結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，且與天然木材性能相當(dāng)（圖2）。

　　與天然木材相比，仿生人工木材最大的優(yōu)勢(shì)在于其耐腐蝕性、隔熱和防火性能。研究中，由于選用熱固樹(shù)脂材料作為基體材料，所制備的仿生人工木材具有很好的防水、耐酸腐蝕的特點(diǎn)，在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力學(xué)強(qiáng)度均沒(méi)有衰減。得益于其取向孔道結(jié)構(gòu)和孔壁中復(fù)合的納米材料，與石墨烯復(fù)合的人工木材具有很好的徑向（垂直于孔道方向）隔熱效果，最低熱導(dǎo)率可達(dá)20.8 mW/mK（毫瓦每米每開(kāi)爾文）?？紤]到人工木材的高比強(qiáng)度（壓縮強(qiáng)度/密度），這種人工木材比其他工程材料和氣凝膠材料具有更好的實(shí)用性。

　　易燃性是天然木材在實(shí)際應(yīng)用中面臨的最大問(wèn)題，而防火阻燃則是人工木材最大的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)復(fù)合不同的納米材料可以進(jìn)一步提高其防火隔熱性能。這種人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃后能夠迅速自熄滅，這正是天然木材無(wú)法克服的缺點(diǎn)（圖3）。

　　作為新型的仿生工程材料，其多功能性優(yōu)于傳統(tǒng)的工程材料，這類人工木材有望代替天然木材，實(shí)現(xiàn)在苛刻或極端條件下的應(yīng)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新思路，其功能的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)將有助于拓寬該方法和制備的材料在多種技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　研究工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金的資助。

　　論文鏈接

　　圖1.人工木頭的制備過(guò)程示意圖。（A）樹(shù)脂聚合物的混合溶液；（B）取向冷凍和干燥后具有取向孔道結(jié)構(gòu)的聚合物干膠；（C）固化后的樹(shù)脂基仿生木材；（D）酚醛樹(shù)脂基（上）和密胺樹(shù)脂基（下）仿生木材實(shí)物照片

　　圖2.仿生人工木材的照片、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。（A）酚醛樹(shù)脂基人工木材與微觀結(jié)構(gòu)；（B）密胺樹(shù)脂基人工木材與微觀結(jié)構(gòu)；（C）人工木材的力學(xué)性能與其他工程材料對(duì)比圖。

　　圖3.人工木材的防火性能和巴爾杉木的易燃性對(duì)比。（a）CMF人工木材；（b）CPF人工木材；（c）CPF/GO復(fù)合木材；（d）巴爾杉木。