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天然蠶絲纖維應用新方向:野生柞蠶絲碳纖維混雜復合材料
 

北京時間2019年8月22日,《自然·通訊》(Nature Communications)在線刊登了北京航空航天大學管娟副教授課題組的最新研究成果“野生柞蠶絲/碳纖維混雜構建抗沖擊復合材料”(Integrating tough Antheraea pernyi silk and strong carbon fibres for impact critical structural composites)[1],首次將野生柞蠶絲和碳纖維混雜作為強韌相,構建了一系列高剛性、高強度的環氧樹脂基體復合材料,實現了兩種高性能纖維的完美結合,并為天然蠶絲纖維的應用開辟了全新的方向。

文章的第一作者為楊康博士,第一通訊作者為材料科學與工程學院、先進結構材料與生物材料研究中心管娟副教授,資深通訊作者為美國加州大學伯克利分校Robert Ritchie院士,復旦大學邵正中教授、日本理化學研究所的Keiji Numata研究員參與合作。這項研究得到北京航空航天大學卓越百人計劃和青年拔尖人才計劃的支持。

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圖1 中國出產的桑蠶繭和柞蠶繭、對應兩種蠶絲的功能分別為紡織和保護蠶蛹。

大自然賦予中國人的禮物——野生柞蠶絲

野生柞蠶絲主要產于中國遼寧和山東等地,經過千萬年的自然選擇歷程,其蛋白質分子序列結構(寡聚丙氨酸片段)、聚集態結構和納米纖維結構相比桑蠶絲更接近蜘蛛牽引絲,可謂“蠶絲中的蛛絲”。此外,雖然柞蠶絲的拉伸強度只比桑蠶絲略高(均高于普通環氧樹脂),但其拉伸斷裂能150 MJ m-3遠高于桑蠶絲~70 MJ m-3 [2],因此十分強韌。然而,柞蠶絲并未用來強韌化復合材料。本論文聚焦用力學性能優異的柞蠶絲來提升復合材料的韌性和吸能特性,可能為航空和汽車領域中輕質高韌性、抗沖擊材料的選擇提供新思路。

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圖2 a.柞蠶絲織物的微觀形貌;b.柞蠶絲的2D同步輻射圖譜顯示beta折疊晶體結構;c.柞蠶絲蛋白分子結構示意圖。

植根于北航的天然蠶絲復合材料研究牛津大學動物絲專家FritzVollrath教授預測蠶絲纖維復合材料最可能的應用領域為高緩沖吸能需求的結構材料,如軍用頭盔和風電葉片等。管娟課題組于2014年對蠶絲纖維復合材料(SFRP)開展系統研究表明[3-5],體積分數高于50%的桑/柞蠶絲纖維復合材料的沖擊性能十分優異,并且具有-50℃的低溫韌性;亞麻植物纖維能夠有效調控蠶絲復合材料的力學性能,提升蠶絲復合材料的剛性和強度。無獨有偶,大洋彼岸的休斯頓大學,YoussefK. Hamidi課題組也開展了蠶絲纖維復合材料的研究,為蠶絲增強體研發出更匹配的樹脂體系[6]。構建強度和韌性兼備的混雜纖維復合材料蠶絲纖維復合材料相對于多數的高性能結構材料,其強度和剛度仍有不足。本論文研究人員選用碳纖維和野生柞蠶絲纖維進行混雜,碳纖維增剛、柞蠶絲增韌,成功構建層內/層間混雜復合材料,既保證了蠶絲纖維復合材料在彎曲和沖擊模式下的韌性,同時達到了工程結構材料對強度和剛度的要求,研究者還深入研究了經典混雜方式(如層間混雜和層內交織)和混雜比對復合材料力學性能的影響。

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圖3 高韌性柞蠶絲/高剛強碳纖維混編織物。

面向產業化——全面的性能評估

本論文研究人員認為,工程材料的研究最終應指向產業化的應用,因此他們對柞蠶絲/碳纖維混雜復合材料各項性能進行了全面的評估:拉伸、彎曲、層間剪切、沖擊、動態力學熱分析、吸水老化行為、拉伸蠕變、彎曲蠕變等。豐富的實驗數據表明交替鋪層的柞蠶絲/碳纖維混雜復合材料在所有混雜材料里具有最好的纖維-基體界面,具有2倍于同體積分數碳纖維復合材料的沖擊強度,并表現出優異的綜合力學性能,為天然纖維復合材料產業化展示了應用前景。

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圖4 a.抗沖擊性能指標;b.各項力學性能指標雷達圖. CFRP:碳纖維增強復合材料;5C5S-1:層層交替的絲纖維/碳纖維混雜增強復合材料;SFRP:柞蠶絲纖維增強復合材料。


文章官網鏈接:

Integrating tough Antheraea pernyi silk and strong carbon fibres for impact-critical structural composites

參考文獻:

[1]Yang K, et al, Nature Communications, 2019, 10;doi.org/10.1038/s41467-019-11520-2.[2]Fu C et al. Advanced Functional Materials, 2015, 21(4):729-737.[3]Yang K et al. Materials & Design, 2016, 108: 470-478.[4]Yang K et al. Scientific Reports, 2017, 7: 11939-11947.[5]Wu C et al. Composites Part A-Applied Science and Manufacturing. 2019, 117: 357-368.[6]Hamidi Y K et al. Materials. 2019, 11,2135.

 

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