木工所在超硬木质复合材料(木钢)研究方面取得重要进展
2025/06/01
图:树木自然木质化示意图及其对WBC制造的启发
木工所联合英国诺森比亚大学、加拿大阿尔伯塔大学以及林化所等研究团队,受树木自然木质化过程的启发,成功研发出一种超硬木质复合材料(WBC),相关成果发表于《Advanced Materials》(五年平均IF=30.2)。这种材料比硬度与镁合金相当,可以抵挡子弹冲击,为可持续高性能材料开辟了新方向。
树木从幼苗到参天大树的过程中,酚类聚合物木质素凭借其交联特性,以壳状结构包裹纤维束使细胞壁逐渐硬化,最终支撑起整棵树的重量。研究团队巧妙模拟了这一机制:将低分子量酚醛树脂(PF)注入超薄木单板(0.2毫米)的细胞壁,增强壳状结构的含量和密度。通过PF交联固化后显著提升细胞壁硬度。同时利用低分子量PF增塑的作用,进一步压缩密实化木材,强化纤维素骨架内的相互作用,最终形成超硬木质复合材料。这种细胞壁级强化技术突破了传统木材增强方法的局限——既避免了碱处理脱木质素的环境污染,又解决了传统层压材料易受湿度影响尺寸稳定性的难题。
实验数据显示,超硬木质复合材料的詹氏硬度高达是普通杨木的19.5倍,甚至超过蛇纹木等名贵硬木;布氏硬度达40.7 HB,比硬度与镁合金AZ61相当,优于不锈钢和铝合金。它具有优异的静、动态抗穿刺性能,可抵挡箭矢和子弹等高速冲击,背板无穿透损伤。
超硬木质复合材料的热释放率比普通木材降低52.5%,烟雾生成减少59%,火灾中可形成致密碳层阻隔氧气;导热系数仅0.12 W/m·K,优于多数商用保温材料;耐腐等级达到Ⅱ级,白蚁存活率降低71.5%,使用寿命大幅延长;生命周期评估显示,其全球变暖潜力、酸化、臭氧消耗、对呼吸系统及人类健康影响均低于钢材、混凝土结构材料,且甲醛释放量检测值与实木相当。
超硬木质复合材料潜在应用包括:抗震、防爆等建筑结构;可移动轻量化防弹墙、防洪堤等设施;公路护栏、减震带、船舶板等耐冲击部件。
该研究以“A Natural Lignification Inspired Super-Hard Wood-based Composites with Extreme Resilience”为题发表于《Advanced Materials》。木工所黄宇翔副研究员和英国诺森比亚大学Kaixin Jiang为共同第一作者,木工所余养伦研究员、林化所张代晖研究员、加拿大阿尔伯塔大学Xuehua Zhang教授和英国诺森比亚大学Ben Bin Xu教授为共同通讯作者。
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