上海硅酸盐研究所黄富强团队CEJ：在仿生结构材料研究取得重要进展

摘要：传统石油基聚合物虽广泛应用于轻质结构材料，但机械性能和热稳定性不足，难以满足高端工程需求。受自然界生物材料（如贝壳、骨骼）启发，仿生结构材料有望兼备高强度和高韧性的力学特性，从而成为研究热点。然而，仿生材料制备面临能耗高、耗时长等挑战。近期，中国科学院上海硅酸

传统石油基聚合物虽广泛应用于轻质结构材料，但机械性能和热稳定性不足，难以满足高端工程需求。受自然界生物材料（如贝壳、骨骼）启发，仿生结构材料有望兼备高强度和高韧性的力学特性，从而成为研究热点。然而，仿生材料制备面临能耗高、耗时长等挑战。近期，中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强、赵伟团队开发出一种毛细力辅助致密化（CAD）新方法，成功制备出高性能矿化纤维素块体材料（MCBS），为绿色轻质材料的工业化应用开辟新路径。

仿生块体结构材料通常具有从纳米层级到宏观块体尺度的多尺度层次结构。目前报道的仿生块体结构材料制备策略通常为：先将特定的微纳米组分（通常为有机-无机复合）分散于水溶液，再通过蒸发水分等方式形成复合膜材，进一步采用层层堆叠工艺形成大块的层次结构。然而，制备过程的蒸发脱水预组装过程效率极低，蒸发过程难以有效控制以保证结构稳定。有报道通过机械加压的方式实现快速的水分脱出，但此方式局限于具有一定强度的水凝胶分散体系，容易导致微纳米组分发生挤出等问题。研究团队受生活中由毛细力作用产生的“芯吸现象”启发，创造性地提出了毛细力辅助致密化的预组装方法。

实际应用中，研究者利用可重复使用的亲水性多孔吸水纸，通过毛细作用快速脱水并致密化矿化纤维素水凝胶（图1 ）。该方法仅需数分钟即可完成传统的蒸发预组装方法数天的脱水过程，效率提升超400倍，同时避免蒸发速度和时间控制不当导致的结构变形，大幅降低能耗。

图1 用于仿生层状结构制备的蒸发辅助致密化、机械压力辅助致密化以及所提出的毛细力辅助致密化方法与层压相结合的完整工艺流程图。

该研究选用细菌纤维素作为模型材料，通过原位矿化方法获得矿化的细菌纤维素水凝胶材料，利用所提出的CAD方法，矿化纤维素水凝胶沿厚度方向快速脱水，从而发生致密化预组装形成有机-无机复合膜材，进一步结合层压工艺获得这种具有高力学和热学性能的仿生块体结构材料（图2）。进一步，研究者演示了这种新方法在非水凝胶的纳米组分水分散液脱水致密化预组装的成功应用，从而展示了新方法的普适性。

图2 MCBS的制备及结构表征：（a）MCBS制备示意图；（b）MCBS断裂面的SEM图像；（c）MCBS 侧视图的SEM图像；（d）断裂面的SEM图像；（e）MCBS面内的SEM图像；（f）氧化铝陶瓷、（g）珍珠母和（h）MCBS在相同冲击强度下的高速摄像截图；（i）制备的MCBS的数码照片。

通过CAD法制备的MCBS展现出媲美天然生物材料的优异性能，其抗弯强度达到239 MPa，超越了骨骼、珍珠母等矿化生物材料和多数报道的仿生结构材料，断裂韧性为10.5 MPam1/2，是天然珍珠层的4 倍。这种新型方法快速制备的仿生块体结构材料显示出高强度和高韧性的独特结合，体现了其结构的力学有效性（图3a，b）。优异的力学性能源于紧密结合的有机和无机组分形成的多尺度层次结构，所得的层状层次结构有效地传递了其微纳米组分的高力学特性，同时这种特定结构产生的一系列外部增韧机制屏蔽了局部应力，并促使应力重新分布，从而实现稳定的裂纹扩展。在热学方面，所制备的仿生块体结构材料具有低至6.3×10⁻6 K⁻1 的热膨胀系数，与陶瓷相当，远低于金属和塑料，其导热性高达0.66 W/(mK)，优于石油基聚合物（图3d），适用于高热震等极端环境。

综合而言，MCBS作为一种新型轻质结构材料在热膨胀系数和断裂韧性这两大重要的材料特性方面桥接了先进工程陶瓷和轻质合金（图3c）。鉴于其天然、轻质和低成本的特点，这种仿生结构的开发拓展了轻质结构材料的工程应用需求，特别是在电动汽车和航空航天领域。这项研究将带来仿生材料制备工艺的快速发展，通过“自然灵感+工程创新”，为可持续高性能轻质材料的设计提供了新范式，助力碳中和目标实现。

该研究得到上海市科技创新行动计划、上海市科学技术委员会以及中国科学院青年创新促进会的经费支持。文章通讯作者为黄富强教授和赵伟副研究员，第一作者为刘坤博士。