隨著現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料達到其性能極限，21世紀(jì)的主要科學(xué)挑戰(zhàn)之一是開發(fā)新的更強、更硬的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，以支持從建筑到交通或能源等各個戰(zhàn)略領(lǐng)域的發(fā)展。珍珠貝以其優(yōu)異的高強度和高斷裂韌性吸引了材料學(xué)家的廣泛關(guān)注，他們模仿天然珍珠貝獨特的微觀層次結(jié)構(gòu)，制造出承載能力超強的人工復(fù)合材料。人工合成的珍珠貝具有與天然珍珠貝相似的結(jié)構(gòu)，但是其高強度一部分來自于無機礦物的高承載能力，這樣同時也導(dǎo)致了材料密度大。此外，用于合成珍珠貝的傳統(tǒng)方法本身就很費力和耗時，這對于結(jié)構(gòu)材料在大型工業(yè)中的應(yīng)用是一個值得深思的問題。
華中科技大學(xué)和浙江農(nóng)林大學(xué)的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種具有有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的大型超輕人工“木貝殼”。幾毫米厚的人造木質(zhì)貝殼模仿了天然珍珠層的分層結(jié)構(gòu)，形成了一種復(fù)合材料，其強度幾乎可以比擬天然櫛江珧貝，而木貝殼中的無機含量僅占天然櫛江珧貝無機含量的六分之一，因此更輕。
圖1. 木貝殼無機含量與天然櫛江珧貝對照
在這項工作中，礦化的納米木質(zhì)纖維素作為增強的構(gòu)件，通過冷凍鑄造技術(shù)組裝成多孔的層狀基質(zhì)，類似于天然的珍珠貝。在冷凍鑄造工藝中，采用保溫模具將冷源與料漿隔離。在冷卻時，模具底部的溫度低于頂部。通過適當(dāng)調(diào)整冷卻速率，可同時產(chǎn)生垂直和水平兩個溫度梯度。在這種情況下,漿料冰晶成核過程從模具的底部開始，以凍結(jié)梯度的方式從延伸到頂部，也就是說，冷凍鑄造中冰晶“1d成核”和增長優(yōu)先在兩個方向:垂直于冷源方向和水平于模具方向。結(jié)果得到了一個大型的層狀結(jié)構(gòu)。然后，將相對較軟的有機相作為“砂漿層”，最終使用熱壓將木質(zhì)纖維素“磚層”轉(zhuǎn)化為類樹脂致密層壓材料。
圖2. 天然貝殼和人造木質(zhì)貝殼測形成對照
研究小組測試了這種木質(zhì)珍珠層的機械性能。人造木貝殼的特殊強度和韌性甚至優(yōu)于工程合金材料(如銅和鐵)。在沖擊和振動載荷的作用下，木貝殼可以吸收大量的能量，產(chǎn)生一定的變形而不造成破壞，這是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域所必需的。而木貝殼良好的耐水性也滿足了建筑材料的日常使用。此外，由于原始的木質(zhì)纖維是從木材的采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物中獲取的，因此成本可以比現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)材料(如合金、大理石、陶瓷等)低得多。其他建筑材料的在生產(chǎn)制造過程中需要使用較高的加工溫度和大量的能源消耗。因此，結(jié)構(gòu)材料的高性能往往是以對環(huán)境產(chǎn)生不利影響為代價的，而木質(zhì)貝殼的制備熱壓溫度只需100℃。
圖3. （a）方解石、純木纖維塊和木貝殼納米壓痕圖像；（b）木貝殼和不含有機“砂漿”的木質(zhì)“磚層塊”(c)落球沖擊對照；（d）木貝殼與其他相關(guān)材料的斷裂韌性對照；（e）木貝殼與其他相關(guān)材料的靜曲強度和靜曲模量對照；（f）木貝殼的防水性測試
相關(guān)成果發(fā)表在ACS Nano（2020，DOI：10.1021/acsnano.9b08647）上，論文第一作者為浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院博士生陳逸鵬，通訊作者為華中科技大學(xué)李會巧教授和浙江農(nóng)林大學(xué)孫慶豐教授。
