木材仿生研究，人工木材仿生材料

天然木材因其独特的定向孔隙结构而具有重量轻、强度高的特点，木材结构的研究是仿生材料研究领域倍受关注的研究领域之一。然而，传统的木质结构材料“流于形式”，虽然之前的研究已经实现了定向孔结构的模仿，但其力学性能却远远不能令人满意。例如，目前正在开发的陶瓷基木结构材料密度高、强度低、缺陷多，且在制造过程中需要高温烧结（通常为1500）。因此，如何制备真正轻质高强的木质结构材料是仿生材料研究领域面临的挑战。

近日，中国科学技术大学于书红教授领导的科研团队以传统酚醛树脂和三聚氰胺树脂为基体材料，开发出一种将冰晶自组装与热固相结合的新技术。开发了一系列具有相似自然特性的产品，一种具有木材导向孔隙结构的新型仿生工程木材。该仿生人造木系列具有重量轻、强度高、耐腐蚀、隔热、防火等优点。 8月10日，相关研究成果以《Bioinspired Polymer woods》为题发表在《科学进展》，并以《This Synthesis wood is just as well as Strong as the real thing and does not burn.》为题发表在《Science News》上，我做到了。该论文的共同第一作者为博士后研究员于志龙和硕士生杨宁。

研究人员开发了一系列基于树脂的仿生工程木材，其具有类似于天然木材的定向孔隙结构，可以很好地控制壁厚和孔径（图1）。该方法可将多种纳米材料复合制备多功能复合人造木材，简单高效，易于规模化生产。具有这种定向孔隙结构的人造木材具有优异的力学性能，其压缩屈服强度优于各种模仿木材结构而开发的陶瓷材料，与天然木材相当，性能（图2）。

仿生工程木材与天然木材相比最大的优点是耐腐蚀、绝缘和防火。新打造的仿生人造木由于选用热固性树脂材料作为基体材料，具有优异的防水性和耐酸腐蚀性能，即使在水和硫酸溶液中浸泡30天，机械强度也没有下降。由于孔壁内的定向孔结构和复合纳米材料，石墨烯复合工程木材的最低导热系数高达20.8 mW/mK（毫瓦/米/开尔文）。考虑到工程木材比强度（抗压强度和密度）高，与其他工程材料和气凝胶材料相比，具有优越的实用性。

天然木材在实际应用中最大的挑战是可燃性，但工程木材最大的优点是耐火和阻燃，并且可以通过共混不同的纳米材料来进一步提高耐火和隔热性能。这种人造木材具有优异的耐火性，但缺点是着火后会很快自熄（图3）。

作为一种新型仿生工程材料，它比传统工程材料用途更加广泛，有望在恶劣条件下作为天然木材的替代品使用。此外，该合成方法为一系列高性能仿生工程材料的生产加工带来了新的思路，其功能可设计性等优势使得该方法及所生产的材料应用于各个技术领域成为可能。扩大。

该研究工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重大专项、国家重点科学研究计划、中科院前沿科学重点研究项目的支持，还有中国科学院。我是。合肥大科学的资助来自科学纳米科学卓越创新中心、苏州纳米技术协同创新中心以及该中心的用户卓越基金。

图1.工程木材制造过程示意图。 (A) 树脂聚合物混合溶液；(B) 定向冷冻干燥后具有定向孔结构的聚合物干胶；(C) 固化的树脂基仿生木；(D) 酚醛树脂基（上）和致密实光胺树脂底座（底部）仿生木

图2. 仿生工程木材的照片、结构和机械性能。 (A)酚醛树脂基工程木材和微观结构，(B)三聚氰胺树脂基工程木材和微观结构，以及(C)工程木材和其他工程材料的机械性能比较。

图3 人造木材的耐火性与秃杉木的可燃性比较。 (a) CMF 工程木材；(b) CPF 工程木材；(c) CPF/GO 复合木材；(d) 秃杉木。