基于取向冷冻的树脂基轻质高强仿生材料的制备与性能研究

With the rapid development of the bio-inspired materials, the innovation and design of the high performance, lightweight, and high strength bio-inspired engineering materials is one of the leading signs of the level of innovation. Woods, as one of the most widely used materials, have provided researchers with inspiration on the way to the lightweight and high strength biomimetic materials due to the unique microstructure and multifunctionality. Unidirectional freezing is an efficient strategy to fabricate the wood-inspired parallel channel structures. However, the reported wood-inspired materials exhibit far from unsatisfactory performances due to the fragile and low strength of the selected matrix materials. Under the backgrounds mentioned above, this project aims at the defects of the traditional cellular biomimetic materials and aims to the controllable fabrication of kinds of resin-based cellular biomimetic materials by using unidirectional freezing as assembly strategy and resins as matrix materials. Furthermore, by controlling the microstructure and constituents, the structure-function relation should be explored to further improve the mechanical performance and multifunctionality, thus providing a technical reserve for the strategic demand of high-performance bio-inspired engineering materials.

随着仿生材料领域的迅速发展，高性能的轻质高强仿生材料的研制和创新是体现一个国家创新水平的重要标志之一。木材是人类应用最广泛的轻质高强材料之一，其结构特性和多功能性为科学家们制备轻质高强仿生材料提供了启发和灵感。取向冷冻技术是一种制备具有取向孔道结构仿生材料的高效制备方法，然而，目前木材启发的仿生材料中，由于所选基体材料的脆性和强度等问题，还无法制备出令人满意的轻质高强宏观块材仿生材料。基于此，本项目针对传统取向孔道结构仿生材料所面临的问题，拟开展具有重要应用前景的轻质高强的树脂基仿生结构材料的可控制备与性能的研究。以取向冷冻技术为主要手段，以传统的热固性树脂为基体材料，构筑几种具有取向孔道结构的宏观轻质高强仿生材料。通过对结构和组分的调控，探索其结构和性能的影响规律，进一步提升材料的力学性能和多功能性，为高性能仿生工程材料的战略需求提供技术储备。

天然木材的独特取向孔道结构赋予了其轻质高强的特点，有关仿木头结构的研究是国际上仿生材料研究领域的热点之一。然而，传统的仿木头结构材料是“徒有其型”，虽然以往的研究实现了取向孔道结构的模仿，但其力学性能远不能令人满意。例如，目前开发的陶瓷基仿木头结构材料，不仅密度高、强度低、缺陷多，而且制备过程需要高温烧结（通常>1500 ⁰C）。因此，如何制备真正具有轻质高强特点的仿木材结构材料是仿生材料研究领域面临的挑战。.我们开发了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的技术，以传统的热固性树脂（如酚醛树脂和密胺树脂）为基体材料，成功研制了一系列的树脂基仿生人工木材。这种方法不仅可以很容易地与各种纳米材料复合来制备多功能的复合木头材料，而且很容易进行放大制备。所开发的酚醛树脂基仿生木材和密胺树脂基仿生木材不仅具有类似木头的取向孔道结构，而且其壁厚、孔道尺寸具有很好的可控性。研究发现，这种仿生木材具有很高的轴向压缩强度，与天然木材相当，优于传统的陶瓷基仿木头结构材料。由于采用树脂做为基体材料，人工木材表现出优异的耐水、耐酸腐蚀的特性，在水和酸溶液（pH3）中浸泡一个月强度没有任何影响。通过复合纳米材料，可以实现其优异的防火和隔热性能，结合其轻质高强的特点，这种新型仿生木材的综合性能优于多种气凝胶材料、工程材料和商业产品等。.这类新型仿生人工木材具有轻质高强、耐腐蚀和防火隔热等优点，综合性能优异。这种新的仿生制备策略成功地将传统的商业树脂材料开发成高附加值的仿生工程材料，这类新型仿生工程材料的多功能性不仅优于传统的工程材料，而且有望代替天然木材，实现在苛刻条件下的应用。此外，这种合成方法为制备和加工一系列高性能仿生工程材料提供了思路，其功能的可设计性等优点有助于拓宽该方法和该材料在多种技术领域中的应用。