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快看,这还是你印象里那个柞蚕丝吗?

发表时间:2019/9/9

近日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线刊登了北京航空航天大学管娟副教授课题组的最新研究成果“野生柞蚕丝/碳纤维混杂构建抗冲击复合材料(Integratingtough Antheraea pernyi silk and strong carbon fibres for impact-criticalstructural composites)”,首次将野生柞蚕丝和碳纤维混杂作为强韧相,构建了一系列高刚性、高强度的环氧树脂基体复合材料,实现了两种高性能纤维的完美结合,并为天然蚕丝纤维的应用开辟了全新的方向。


高韧性柞蚕丝/高刚强碳纤维混编织物


牛津大学动物丝专家Fritz Vollrath教授预测蚕丝纤维复合材料最可能的应用领域为高缓冲吸能需求的结构材料,如军用头盔和风电叶片等。休斯顿大学的Youssef K. Hamidi课题组也开展了蚕丝纤维复合材料的研究,为蚕丝增强体研发出更匹配的树脂体系。但是,蚕丝纤维复合材料相对于多数的高性能结构材料,其强度和刚度仍有不足。


几种纤维的性能指标对比


而与桑蚕丝(俗称家蚕丝,也是市面上的主要蚕丝种类)相比,柞蚕丝的拉伸强度只比桑蚕丝略高(均高于普通环氧树脂),但其拉伸断裂能150 MJm-3远高于桑蚕丝~70 MJ m-3,因此十分强韧。


注:柞蚕是野蚕的一种,主要产区为辽、吉、黑、豫、鲁、蒙等地,全世界90%以上的柞蚕丝产于中国。


柞蚕丝与桑蚕丝


柞蚕丝的侧面、截面和拉伸断裂面


这种强韧的性能,或许可以提升复合材料的韧性和吸能特性,虽然目前还没有利用柞蚕丝来增强复合材料的先例,不过,或许这可以为航空和汽车领域中轻质高韧性、抗冲击材料的选择提供新思路,于是,管娟课题组开始了柞蚕丝复合材料的相关研究。


碳纤维与柞蚕丝复合材料拉伸断裂后的SEM图像


2014年,管娟课题组对蚕丝纤维复合材料(SFRP)开展系统研究的结果表明,体积分数高于50%的桑/柞蚕丝纤维复合材料的冲击性能十分优异,并且具有-50℃的低温韧性;亚麻植物纤维能够有效调控蚕丝复合材料的力学性能,提升蚕丝复合材料的刚性和强度。

随后,管娟课题组的研究人员选用碳纤维和野生柞蚕丝纤维进行混杂,碳纤维增刚、柞蚕丝增韧,成功构建层内/层间混杂复合材料,既保证了蚕丝纤维复合材料在弯曲和冲击模式下的韧性,同时达到了工程结构材料对强度和刚度的要求,研究者还深入研究了经典混杂方式(如层间混杂和层内交织)和混杂比对复合材料力学性能的影响。


a.抗冲击性能指标;b.各项力学性能指标雷达图.


注:CFRP为碳纤维增强复合材料;5C5S-1为层层交替的蚕丝/碳纤维混杂增强复合材料;SFRP为柞蚕丝纤维增强复合材料。


为了使这种复合材料能够实现产业化应用,研究人员对柞蚕丝/碳纤维混杂复合材料各项性能进行了全面的评估:拉伸、弯曲、层间剪切、冲击、动态力学热分析、吸水老化行为、拉伸蠕变、弯曲蠕变等。丰富的实验数据表明交替铺层的柞蚕丝/碳纤维混杂复合材料在所有混杂材料里具有最好的纤维-基体界面,具有2倍于同体积分数碳纤维复合材料的冲击强度,并表现出优异的综合力学性能,充分显示了天然纤维复合材料良好的产业化应用前景。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11520-2


(来源:北京航空航天大学材料科学与工程学院)