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(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韌相，構(gòu)建了一系列高剛性、高強度的環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料，實現(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。這項研究得到北京航空航天大學(xué)卓越百人計劃和青年拔尖人才計劃的支持。

圖1 中國出產(chǎn)的桑蠶繭和柞蠶繭、對應(yīng)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(chǎn)于中國遼寧和山東等地，經(jīng)過千萬年的自然選擇歷程，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度只比桑蠶絲略高（均高于普通環(huán)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(fù)合材料。本論文聚焦用力學(xué)性能優(yōu)異的柞蠶絲來提升復(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)動物絲專家FritzVollrath教授預(yù)測蠶絲纖維復(fù)合材料最可能的應(yīng)用領(lǐng)域為高緩沖吸能需求的結(jié)構(gòu)材料，如軍用頭盔和風(fēng)電葉片等。管娟課題組于2014年對蠶絲纖維復(fù)合材料（SFRP）開展系統(tǒng)研究表明[3-5]，體積分數(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)合材料的剛性和強度。無獨有偶，大洋彼岸的休斯頓大學(xué)，YoussefK. Hamidi課題組也開展了蠶絲纖維復(fù)合材料的研究，為蠶絲增強體研發(fā)出更匹配的樹脂體系[6]。構(gòu)建強度和韌性兼?zhèn)涞幕祀s纖維復(fù)合材料蠶絲纖維復(fù)合材料相對于多數(shù)的高性能結(jié)構(gòu)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(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，同時達到了工程結(jié)構(gòu)材料對強度和剛度的要求，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）和混雜比對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

圖3 高韌性柞蠶絲/高剛強碳纖維混編織物。

面向產(chǎn)業(yè)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(yīng)指向產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，因此他們對柞蠶絲/碳纖維混雜復(fù)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(tài)力學(xué)熱分析、吸水老化行為、拉伸蠕變、彎曲蠕變等。豐富的實驗數(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倍于同體積分數(shù)碳纖維復(fù)合材料的沖擊強度，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；b.各項力學(xué)性能指標雷達圖. CFRP：碳纖維增強復(fù)合材料；5C5S-1：層層交替的絲纖維/碳纖維混雜增強復(fù)合材料；SFRP：柞蠶絲纖維增強復(fù)合材料。

文章官網(wǎng)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.