一作介紹
田文晗，北京航空航天大學2020級博士生，2025年1月獲得博士學位。研究方向為生物醫(yī)用復合材料。主要基于天然蠶絲纖維增強高分子基復合材料，設計部分降解及全降解且力學強韌的骨科植入材料，為因創(chuàng)傷、腫瘤切除等導致的大尺寸硬骨組織缺損修復提供新材料策略。已發(fā)表高水平SCI論文2篇，中文核心期刊論文1篇，授權發(fā)明專利1項。
摘要
動物絲纖維是自然界高強韌材料的代表，而蠶絲是唯一量產的、具有經(jīng)濟性的動物絲。將蠶絲與高分子樹脂復合，形成的蠶絲增強聚酯復合材料（SFRPs）作為高性能結構性材料，體現(xiàn)出重要的臨床應用潛力。然而，SFRPs生物醫(yī)用的第一個挑戰(zhàn)是體液環(huán)境下的力學穩(wěn)定性。本論文旨在探究濕度/水環(huán)境對SFRPs力學性能和失效行為的影響，為其在生物醫(yī)學中的應用奠定基礎。
研究內容
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%，微觀結構致密有序。
圖1 SFRPs樣品的宏觀形貌、微觀結構及缺陷
設計高/中/低三種水合條件（圖 2a），對樣品進行總時長為10天的水合處理，測試并分析不同條件下拉伸及彎曲性能隨時間的變化趨勢（圖2 b-g）。
低濕度處理對試樣的拉伸強度影響較小，試樣屈服強度和拉伸模量甚至略有提升；中、高濕度處理導致屈服應力、拉伸模量和強度大幅降低。所有水合處理的試樣斷裂伸長率均有所增加，最大增加70%。試樣彎曲性能變化趨勢與拉伸性能的變化趨勢基本一致。
圖2 水合處理試樣拉伸力學性能
聲發(fā)射測試（AE）是一種無損檢測技術，通過實時監(jiān)測聲波頻率、幅值等信號，判斷復材的失效機制。團隊對純環(huán)氧樹脂、蠶絲纖維以及兩種不同厚度的干燥SFRPs試樣進行聲發(fā)射測試（圖3），獲得了基體破壞、纖維斷裂、界面破壞三種失效機制的特征頻率范圍。
圖3 基體、纖維和復合材料的聲發(fā)射峰值頻率信號
隨后，對三種水合條件下分別處理12小時、10天的SFRPs試樣聲發(fā)射測試（圖4），發(fā)現(xiàn)大部分信號集中在界面損傷頻率范圍內，且這一信號相比干態(tài)試樣出現(xiàn)更早，說明界面損傷是濕態(tài)SFRPs的主導損傷機制。
圖4 水合處理試樣聲發(fā)射測試結果
如圖5，中、高濕度處理SFRPs的動態(tài)機械熱分析（DMA）結果表明，樹脂基體的玻璃化轉變溫度均顯著降低，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)界面剪切應力，對于低濕度條件，界面應力或可修復缺陷，提升屈服強度；但對于中、高濕度條件（40℃，89%相對濕度），界面應力將損傷纖維與基體界面。
圖5 SFRPs水合作用機理
結論
綜上所述，在水環(huán)境下，SFRPs會犧牲模量和強度換取塑性，并維持韌性，而水合條件越強，模量和強度衰減越快。基體與蠶絲的水合作用差異是SFRPs界面破壞的主要驅動力。因此，選擇與蠶絲適配的基體對于醫(yī)用SFRPs的應用至關重要。在另一項研究中，我們采用3種環(huán)氧樹脂，探討了基體結構設計的對SFRPs性能的影響，揭示其多種強韌化機制，為繼續(xù)探究可降解高分子基體的SFRPs奠定了基礎(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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