天然蠶絲纖維應(yīng)用新方向：野生柞蠶絲/碳纖維混雜復(fù)合材料

北京時(shí)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(xué)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(gòu)建抗沖擊復(fù)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(qiáng)韌相，構(gòu)建了一系列高剛性、高強(qiáng)度的環(huán)氧樹(shù)脂基體復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了兩種高性能纖維的完美結(jié)合，并為天然蠶絲纖維的應(yīng)用開(kāi)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(xué)與工程學(xué)院、先進(jìn)結(jié)構(gòu)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(guó)加州大學(xué)伯克利分校Robert Ritchie院士，復(fù)旦大學(xué)邵正中教授、日本理化學(xué)研究所的Keiji Numata研究員參與合作。這項(xiàng)研究得到北京航空航天大學(xué)卓越百人計(jì)劃和青年拔尖人才計(jì)劃的支持。

圖1中國(guó)出產(chǎn)的桑蠶繭和柞蠶繭、對(duì)應(yīng)兩種蠶絲的功能分別為紡織和保護(hù)蠶蛹。

大自然賦予中國(guó)人的禮物——野生柞蠶絲

野生柞蠶絲主要產(chǎn)于中國(guó)遼寧和山東等地，經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的自然選擇歷程，其蛋白質(zhì)分子序列結(jié)構(gòu)(寡聚丙氨酸片段)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和納米纖維結(jié)構(gòu)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(qiáng)度只比桑蠶絲略高(均高于普通環(huán)氧樹(shù)脂)，但其拉伸斷裂能150 MJ m-3遠(yuǎn)高于桑蠶絲~70 MJ m-3 [2]，因此十分強(qiáng)韌。然而，柞蠶絲并未用來(lái)強(qiáng)韌化復(fù)合材料。本論文聚焦用力學(xué)性能優(yōu)異的柞蠶絲來(lái)提升復(fù)合材料的韌性和吸能特性，可能為航空和汽車領(lǐng)域中輕質(zhì)高韌性、抗沖擊材料的選擇提供新思路。

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(jié)構(gòu);c.柞蠶絲蛋白分子結(jié)構(gòu)示意圖。

植根于北航的天然蠶絲復(fù)合材料研究牛津大學(xué)動(dòng)物絲專家FritzVollrath教授預(yù)測(cè)蠶絲纖維復(fù)合材料最可能的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楦呔彌_吸能需求的結(jié)構(gòu)材料，如軍用頭盔和風(fēng)電葉片等。管娟課題組于2014年對(duì)蠶絲纖維復(fù)合材料(SFRP)開(kāi)展系統(tǒng)研究表明[3-5]，體積分?jǐn)?shù)高于50%的桑/柞蠶絲纖維復(fù)合材料的沖擊性能十分優(yōu)異，并且具有-50℃的低溫韌性;亞麻植物纖維能夠有效調(diào)控蠶絲復(fù)合材料的力學(xué)性能，提升蠶絲復(fù)合材料的剛性和強(qiáng)度。無(wú)獨(dú)有偶，大洋彼岸的休斯頓大學(xué)，YoussefK. Hamidi課題組也開(kāi)展了蠶絲纖維復(fù)合材料的研究，為蠶絲增強(qiáng)體研發(fā)出更匹配的樹(shù)脂體系[6]。構(gòu)建強(qiáng)度和韌性兼?zhèn)涞幕祀s纖維復(fù)合材料蠶絲纖維復(fù)合材料相對(duì)于多數(shù)的高性能結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)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(jìn)行混雜，碳纖維增剛、柞蠶絲增韌，成功構(gòu)建層內(nèi)/層間混雜復(fù)合材料，既保證了蠶絲纖維復(fù)合材料在彎曲和沖擊模式下的韌性，同時(shí)達(dá)到了工程結(jié)構(gòu)材料對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求，研究者還深入研究了經(jīng)典混雜方式(如層間混雜和層內(nèi)交織)和混雜比對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

圖3高韌性柞蠶絲/高剛強(qiáng)碳纖維混編織物。

面向產(chǎn)業(yè)化——全面的性能評(píng)估

本論文研究人員認(rèn)為，工程材料的研究最終應(yīng)指向產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，因此他們對(duì)柞蠶絲/碳纖維混雜復(fù)合材料各項(xiàng)性能進(jìn)行了全面的評(píng)估：拉伸、彎曲、層間剪切、沖擊、動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析、吸水老化行為、拉伸蠕變、彎曲蠕變等。豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明交替鋪層的柞蠶絲/碳纖維混雜復(fù)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?jǐn)?shù)碳纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，并表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，為天然纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化展示了應(yīng)用前景。

圖4 a.抗沖擊性能指標(biāo);b.各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)雷達(dá)圖. CFRP：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;5C5S-1：層層交替的絲纖維/碳纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料;SFRP：柞蠶絲纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

文章官網(wǎng)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11520-2

參考文獻(xiàn)：

[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.