基于蚕丝短纤网络可控构筑的仿生纤维增强复合材料的研究
批准号:
52103149
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
许宗溥
依托单位:
学科分类:
智能与仿生材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
许宗溥
中文摘要
高性能纤维增强复合材料在众多领域都有着重要应用,一直备受各国研究人员的关注与重视。目前的纤维复合材料制备主要从优化组分含量和工艺过程出发,相对缺少对纤维网络结构的调控。从仿生的角度,许多天然生物材料也属于纤维复合材料,且它们通过多层次的有序纤维结构实现了优异的力学特性和多功能性,从而为设计高性能纤维增强复合材料提供了重要启示。本项目遵循仿生理念,选择蚕丝这一轻质、高强、高韧的生物纤维作为增强体,利用冰模板法对其进行定向组装以实现有序纤维网络的可控构筑,进而制备仿生纤维增强复合材料。本项目将深入研究蚕丝纤维在冷冻过程中沿冰晶生长方向的取向和排列规律,并系统探讨纤维网络结构以及纤维-基体界面作用对复合材料力学性能的影响,以期为开发高性能仿生纤维增强复合材料提供理论和技术支持。
英文摘要
High-performance fiber-reinforced composite materials are highly demand in various fields, which have been increasingly concerned worldwide. Currently, the optimization of component and process are mainly focused for the fabrication of fiber-reinforced composites, while the structure of fiber network is rarely regulated. From a biomimetic view, many natural biomaterials can also be calssified as fiber-reinforced composites and they achieve remarkable mechanical property and multifunctionality by their hierarchically ordered fiber structures, providing important inspirations for the design of high-performance fiber-reinforced composite materials. Here, following the biomimetic strategy, silk fibers as a lightweight yet strong and tough reinforcing phase will be directionally assembled by ice-templating approach, in order to achieve the controllable construction of ordered fiber networks, and then the biomimetic composites can be prepared. We will study the rule of orientation and arrangement of silk fiber along the ice growth during the freezing process, and discuss the influence of fiber network as well as the fiber-matrix interaction on the mechanical properties of the composites. Based on the above, this project aims to provide theoretical and technical support for the fabrication of high-performance fiber-reinforced composite materials.
制备具有高力学性能和多功能性的纤维增强复合材料对满足人类在众多领域的需求意义重大,仿生策略为实现这一目标提供了材料选择和结构设计上的宝贵启示。本课题选择既保留了天然蚕丝优异性能又可调长径比的蚕丝短纤作为增强体,并以另一种天然高分子壳聚糖作为基体,利用冰模板法构筑了一系列具有仿生结构的蚕丝短纤/壳聚糖复合支架材料。同时,针对蚕丝短纤在冷冻过程中随冰晶生长的排布方式,蚕丝短纤对复合材料力学性能以及多功能性的影响展开了系统的研究。一方面,我们发现蚕丝短纤在不同的冷冻方式下(随机冷冻和定向冷冻)呈现差异化的排布主要与其长径比有关:长径比<5的蚕丝短纤由于尺寸较小易被逐渐生长的冰晶挤开,随后与周围的壳聚糖分子结合,最终嵌入壳聚糖形成的孔壁中;长径比>50的蚕丝短纤则会被冰晶部分冻结,从而贯穿分布于壳聚糖形成的孔壁间;两者均在三维空间形成了与壳聚糖支架的孔结构相耦合的多尺度有序排布。另一方面,我们发现在相同添加量的条件下,蚕丝短纤对复合材料的力学增强效应与其长径比呈正相关,这是由于贯穿壳聚糖孔壁的大长径比蚕丝短纤形成的桥接能够为支架提供更多的整体支撑和更小的应力集中,从而有效地限制了其结构变形区域的横向扩展;而在添加同种蚕丝短纤的条件下,蚕丝短纤对复合材料的力学增强效应与其添加量呈正相关,这主要得益于支架整体密度的提升。另外,我们还展示了此类复合材料的潜在应用场景,比如经随机冷冻方式可获得具有仿松质骨蜂窝状多孔结构的蚕丝短纤/壳聚糖复合支架,通过对复合支架的生物相容性及生物活性进行表征,验证了其作为组织工程支架材料的应用潜力;又比如经定向冷冻方式可获得具有仿木材取向多孔结构的蚕丝短纤/壳聚糖复合支架,通过对复合支架的吸液性能进行表征,验证了其作为液体定向输送材料的应用潜力。综上所述,本项目的研究成果有助于深化对材料结构-性能关系的理解,并为开发高性能仿生复合材料提供了有益指导。
基于家蚕纺丝连续性的提升获取高力学性能蚕丝的研究
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批准号:MS25C170006
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:许宗溥
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依托单位:
国内基金
海外基金