刘 意，何 惠，刘克非，吴庆定
(中南林业科技大学 材料成形技术研究所，湖南 长沙 410004)
DOI:10.13732/j.issn.1008-5548.2022.05.013
收稿日期： 2022-03-04， 修回日期：2022-03-22，在线出版时间：2022-08-09 14:10。
基金项目：湖南省自然科学基金/常德市联合基金项目，编号：2020JJ6065；长沙市自然科学基金项目，编号：Kq2202275。
第一作者简介：刘意(1998—)，男，硕士研究生，研究方向为生物质粉体材料成形理论与技术。E-mail：1004519486@qq.com。
通信作者简介：吴庆定(1963—)，男，教授，博士，博士生导师，研究方向为粉体材料成形理论与技术。E-mail：wudingle@126.com。
摘要：为了借助贝壳结构来获得高强韧化木质复合材料，以杨木粉末、杨木纤维和核桃壳颗粒为原料，不添加胶黏剂，采用温压成形法制备仿贝壳复合材料。通过单因素试验，优化仿贝壳复合材料中杨木粉末-核桃壳颗粒混合物与杨木纤维复合质量比；基于响应面法，优化仿贝壳复合材料工艺参数；运用傅立叶红外光谱仪、同步热分析仪、扫描电子显微镜对仿贝壳复合材料进行表征。结果表明：在杨木粉末-核桃壳颗粒混合物与杨木纤维复合质量比为6∶4、成形温度为162℃、成形压力为77 MPa、保温时间为25 min工艺条件下制备的仿贝壳复合材料的静曲强度和冲击韧性分别达到47.72 MPa、 7.13 kJ·m-2,吸水率仅为3.39%,热稳定性好；仿贝壳复合材料通过裂纹偏转、裂纹桥接2种方式实现强韧化。
关键词：杨木粉末；杨木纤维；核桃壳颗粒；仿贝壳复合材料；无胶温压成形；响应面法；强韧化机理
Abstract：In order to develop wood-based composite with high strength and toughness derived from shell structure, the nacre-inspired composite, without adhesive, was prepared by warm pressing process with poplar powder, poplar fiber and walnut shell granules. The mass ratio of poplar powder-walnut shell granules mixture to poplar fiber was optimized by single factor test. The process parameters were optimized by response surface method. Fourier transform infrared spectrometer, synchronous thermal analyzer and scanning electron microscope were used for characterization of nacre-inspired composite. The results show that under the mass ratio of 6∶4 of poplar powder-walnut shell granules mixture to poplar fiber, forming temperature of 162 ℃, forming pressure of 77 MPa and holding time of 25 min, the static bending strength and impact toughness of the nacre-inspired composite reache 47.72 MPa and 7.13 kJ·m-2 respectively. At this time, the water absorption of the nacre-inspired composite is only 3.39% and the thermal stability is good. The nacre-inspired composite is strengthened and toughened through crack deflection and crack bridging.
Keywords：poplar powder; poplar fiber; walnut shell granule; nacre-inspired composite; binderless warm-pressing compaction; response surface method; strengthening and toughening mechanism
参考文献（References）：
[1]李琛.木质剩余物纤维多孔型材料制备及缓冲特性研究[D].哈尔滨:东北林业大学，2013.
[2]吴义强，李新功，左迎峰，等.农林剩余物无机人造板研究进展[J].林业工程学报，2016，1(1):8-15.
[3]谢光辉，傅童成，马履一，等.林业剩余物的定义和分类述评[J].中国农业大学学报，2018，23(7):141-149.
[4]肖俊华，左迎峰，刘文杰，等.秸秆人造板用胶黏剂研究进展[J].材料导报，2016，30(17):78-83.
[5]PARK S H，LEEM，SEO P N，et al.Effect of resin content on the physiochemical and combustion properties of wood fiber insulation board[J].BioResources，2020，15(3):5210-5225.
[6]LIANG S M，JI H M，LI X W.Thickness-dependent mechanical properties of nacre in cristaria plicata shell:critical role of interfaces[J].Journal of Materials Science &Technology，2020，44(9):1-8.
[7]SHAO Y，ZHAO H P，FENG X Q.Optimal characteristic nanosizes of mineral bridges in mollusk nacre[J].RSC Advances，2014，4(61):32451-32456.
[8]曾凡，张志明，范根莲，等.仿贝壳层状复合装甲材料研究进展[J].中国材料进展，2021，40(3):225-233.
[9]孙娜，吴俊涛，江雷.贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展[J].高等学校化学学报，2011，32(10):2231-2239.
[10]MAO H R，SHEN P，LIU Y H，et al.Nacre-inspired lightweight and high-strength AZ91D/Mg2B2O5w composites prepared by ice templating and pressureless infiltration[J].Journal of Materials Science，2018，53(17):12167-12177.
[11]张亮，王晓敏，刘春华，等.高强高韧超支化聚酰胺胺/氧化石墨烯仿贝壳复合膜[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2016，39(8):1117-1122.
[12]SI L，LU Z，YAO C，et al.Nacre-like nanocomposite film with excellent dielectric insulation properties and mechanical strength based on montmorillonite nanosheet and aramid nanofiber[J].Journal of Materials Science，2020，55(14):5948-5960.
[13]季洪梅.加州扁鸟蛤贝壳的结构表征及力学行为研究[D].沈阳:东北大学，2014.
[14]李莉，张赛，何强，等.响应面法在试验设计与优化中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34(8):41-45.
[15]黄增尉，徐林冲，袁爱群，等.核-壳结构TiO2@Al2O3制备工艺的优化[J].中国粉体技术，2021，27(2):37-46.
[16]李铁军，王学文，李博，等.基于离散元法的煤颗粒模型参数优化[J].中国粉体技术，2018，24(5):6-12.
[17]金春德，杨巍，韩申杰，等.制造无胶纤维板过程中木质素的变化规律：以酸性蒸气蒸煮热磨制造方法为例[J].东北林业大学学报，2014，42(4):89-92.
[18]郑霞，李新功，吴义强，等.无胶烟秆刨花板喷蒸热压自胶合[J].中国农学通报，2014，30(1):108-113.
[19]侯雪.海洋贝壳的精细结构及其力学性能研究[D].海口:海南大学，2020.
[20]HUANG C J，PENG J S，WAN S J，et al.Ultra-tough inverse artificial nacre based on epoxy-graphene By freeze-casting[J].Angewandte Chemie International Edition，2019，58(23):7636-7640.
[21]CHEN P Y，MCKITTRICK J，MEYERS M A.Biological materials:functional adaptations and bioinspired designs[J].Progress in Materials Science，2012，57(8):1492-1704.
[22]闻章鲁.基于贝壳珍珠层特征的金属仿生设计和电弧增材制造研[D].南京:南京理工大学，2017.
[23]XIANG Y，WANG X，HU X，et al.Achieving ultra-high strengthening and toughening efficiency in carbon nanotubes/magnesium composites via constructing micro-nano layered structure[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2019，119:225-234.
