一作介紹
田文晗，北京航空航天大學(xué)2020級(jí)博士生，2025年1月獲得博士學(xué)位。研究方向?yàn)樯镝t(yī)用復(fù)合材料。主要基于天然蠶絲纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料，設(shè)計(jì)部分降解及全降解且力學(xué)強(qiáng)韌的骨科植入材料，為因創(chuàng)傷、腫瘤切除等導(dǎo)致的大尺寸硬骨組織缺損修復(fù)提供新材料策略。已發(fā)表高水平SCI論文2篇，中文核心期刊論文1篇，授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。
摘要
動(dòng)物絲纖維是自然界高強(qiáng)韌材料的代表，而蠶絲是唯一量產(chǎn)的、具有經(jīng)濟(jì)性的動(dòng)物絲。將蠶絲與高分子樹脂復(fù)合，形成的蠶絲增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料（SFRPs）作為高性能結(jié)構(gòu)性材料，體現(xiàn)出重要的臨床應(yīng)用潛力。然而，SFRPs生物醫(yī)用的第一個(gè)挑戰(zhàn)是體液環(huán)境下的力學(xué)穩(wěn)定性。本論文旨在探究濕度/水環(huán)境對(duì)SFRPs力學(xué)性能和失效行為的影響，為其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
研究?jī)?nèi)容
CT及SEM圖像（圖 1）顯示，柞蠶絲織物與環(huán)氧樹脂經(jīng)真空輔助樹脂灌注（VARI）及熱壓工藝制備的SFRPs樣品，其孔隙率低至<0.03vol%，微觀結(jié)構(gòu)致密有序。
圖1 SFRPs樣品的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)及缺陷
設(shè)計(jì)高/中/低三種水合條件（圖 2a），對(duì)樣品進(jìn)行總時(shí)長(zhǎng)為10天的水合處理，測(cè)試并分析不同條件下拉伸及彎曲性能隨時(shí)間的變化趨勢(shì)（圖2 b-g）。
低濕度處理對(duì)試樣的拉伸強(qiáng)度影響較小，試樣屈服強(qiáng)度和拉伸模量甚至略有提升；中、高濕度處理導(dǎo)致屈服應(yīng)力、拉伸模量和強(qiáng)度大幅降低。所有水合處理的試樣斷裂伸長(zhǎng)率均有所增加，最大增加70%。試樣彎曲性能變化趨勢(shì)與拉伸性能的變化趨勢(shì)基本一致。
圖2 水合處理試樣拉伸力學(xué)性能
聲發(fā)射測(cè)試（AE）是一種無損檢測(cè)技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲波頻率、幅值等信號(hào)，判斷復(fù)材的失效機(jī)制。團(tuán)隊(duì)對(duì)純環(huán)氧樹脂、蠶絲纖維以及兩種不同厚度的干燥SFRPs試樣進(jìn)行聲發(fā)射測(cè)試（圖3），獲得了基體破壞、纖維斷裂、界面破壞三種失效機(jī)制的特征頻率范圍。
圖3 基體、纖維和復(fù)合材料的聲發(fā)射峰值頻率信號(hào)
隨后，對(duì)三種水合條件下分別處理12小時(shí)、10天的SFRPs試樣聲發(fā)射測(cè)試（圖4），發(fā)現(xiàn)大部分信號(hào)集中在界面損傷頻率范圍內(nèi)，且這一信號(hào)相比干態(tài)試樣出現(xiàn)更早，說明界面損傷是濕態(tài)SFRPs的主導(dǎo)損傷機(jī)制。
圖4 水合處理試樣聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果
如圖5，中、高濕度處理SFRPs的動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析（DMA）結(jié)果表明，樹脂基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均顯著降低，暗示水合作用軟化了基體并且破壞了樹脂與纖維的界面作用。蠶絲纖維的水合作用體現(xiàn)在非晶區(qū)的吸水塑化，而環(huán)氧樹脂因高度交聯(lián)疏水，基本不吸水溶脹。蠶絲和樹脂的水合作用差異將引發(fā)界面剪切應(yīng)力，對(duì)于低濕度條件，界面應(yīng)力或可修復(fù)缺陷，提升屈服強(qiáng)度；但對(duì)于中、高濕度條件（40℃，89%相對(duì)濕度），界面應(yīng)力將損傷纖維與基體界面。
圖5 SFRPs水合作用機(jī)理
結(jié)論
綜上所述，在水環(huán)境下，SFRPs會(huì)犧牲模量和強(qiáng)度換取塑性，并維持韌性，而水合條件越強(qiáng)，模量和強(qiáng)度衰減越快?；w與蠶絲的水合作用差異是SFRPs界面破壞的主要驅(qū)動(dòng)力。因此，選擇與蠶絲適配的基體對(duì)于醫(yī)用SFRPs的應(yīng)用至關(guān)重要。在另一項(xiàng)研究中，我們采用3種環(huán)氧樹脂，探討了基體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)SFRPs性能的影響，揭示其多種強(qiáng)韌化機(jī)制，為繼續(xù)探究可降解高分子基體的SFRPs奠定了基礎(chǔ)(Compos. Pt. A, 2022, 154: 106760.)。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106458
文章信息
Tian, W., Yang, K., Wu, S., Yang, J., Luo, H., Guan, J., & Ritchie, R. O. (2021). Impact of hydration on the mechanical properties and damage mechanisms of natural silk fibre reinforced composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 147, 106458.
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