中國林科院木工所聯合英國諾森比亞大學、加拿大阿爾伯塔大學以及林化所等研究團隊成功研發出一種超硬木質復合材料(WBC),其硬度與鎂合金AZ61相當,可以抵擋子彈沖擊,為可持續高性能材料開辟了新方向。
樹木從幼苗到參天大樹的過程中,酚類聚合物木質素憑借其交聯特性,以殼狀結構包裹纖維束使細胞壁逐漸硬化,*終支撐起整棵樹的重量。研究團隊巧妙模擬了這一機制:將低分子量酚醛樹脂(PF)注入超薄木單板(0.2毫米)的細胞壁,增強殼狀結構的含量和密度。通過PF交聯固化顯著提升細胞壁硬度。同時利用低分子量PF增塑的作用,進一步壓縮密實化木材,強化纖維素骨架內的相互作用,*終形成超硬木質復合材料。這種細胞壁級強化技術突破了傳統木材增強方法的局限——既避免了堿處理脫木質素的環境污染,又解決了傳統層壓材料易受濕度影響尺寸穩定性的難題。
實驗數據顯示,超硬木質復合材料的詹氏硬度是普通楊木的19.5倍,甚至超過蛇紋木等名貴硬木;布氏硬度達40.7HB,優于不銹鋼和鋁合金;具有優異的靜、動態抗穿刺性能,可抵擋箭矢和子彈等高速沖擊,背板無穿透損傷。
超硬木質復合材料的熱釋放率比普通木材降低52.5%、煙霧生成減少59%,火災中可形成致密碳層阻隔氧氣;導熱系數僅0.12W/m·K,優于多數商用保溫材料;耐腐等級達到Ⅱ級,白蟻存活率降低71.5%,使用壽命大幅延長。生命周期評估顯示,其全球變暖潛力、酸化、臭氧消耗、對呼吸系統及人類健康影響均低于鋼材、混凝土結構材料,且甲醛釋放量檢測值與實木相當。
超硬木質復合材料的潛在應用包括:抗震、防爆等建筑結構,可移動輕量化防彈墻、防洪堤等設施,公路護欄、減震帶、船舶板等耐沖擊部件。
該研究成果論文發表于AdvancedMaterials。木工所副研究員黃宇翔和英國諾森比亞大學KaixinJiang為共同*作者,木工所研究員余養倫、林化所研究員張代暉、加拿大阿爾伯塔大學教授XuehuaZhang和英國諾森比亞大學教授BenBinXu為共同通訊作者。
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