Chem Soc Rev：蚕丝功能复合材料的多尺度设计

摘要

蚕丝增强复合材料（SRCs）结合了蚕丝纤维的独特性能，如优异的机械强度、生物相容性和生物降解性，为传统合成材料提供了环保替代方案。其应用领域已扩展至生物医学工程、柔性电子和环境过滤等领域。本文系统综述了蚕丝纤维（织物、长纤维、纳米纤维）在功能复合材料中的多样化形式，重点探讨了复合材料设计与加工技术的进展，以实现力学与功能性能的精准调控。尽管已取得显著进展，但SRCs在多功能化、逆向设计力学机制及规模化生产方面仍存在挑战。未来研究需结合可持续性优势和先进加工技术（如人工智能辅助设计），充分挖掘SRCs的潜力。

引言

近年来，可持续、多功能的天然纤维材料成为材料科学的研究热点。蚕丝因其卓越的力学性能和生物相容性脱颖而出，尤其在生物医学和柔性电子领域展现出广阔前景。蚕丝增强复合材料（SRCs）结合了蚕丝的天然优势与复合材料设计理念，不仅利用可再生资源，还能通过调控纤维形态（微米至纳米尺度）满足复杂应用需求。本文从蚕丝的分层结构出发，系统梳理SRCs的设计、加工与应用进展，并展望其未来发展方向。

1. 蚕丝的分层结构与力学特性

• 结构特点：蚕丝纤维具有多级分层结构，包括β-折叠片晶区（提供强度）和无定形区（决定延展性）。纳米原纤的排列与剪切变形机制是其高韧性的关键。

• 力学性能：蚕丝的拉伸断裂能（如柞蚕丝达150 MJ/m3）显著优于凯夫拉纤维和碳纤维。通过基因改造或强制抽丝技术可进一步提升其力学性能。

• 再生蚕丝纤维：尽管再生丝纤维的力学性能仍不及天然蚕丝，但其功能兼容性（如与纳米材料复合）为未来应用提供了新思路。

  
  

2. 织物蚕丝增强复合材料（f-SRCs）

• 加工技术：热压成型和真空辅助树脂传递模塑（VARTM）是主要加工方法，环氧树脂为常用基体。通过编织、混纺和涂层技术可优化材料性能。

• 力学优势：f-SRCs的冲击强度（最高达115 kJ/m2）和断裂韧性显著优于玻璃纤维和碳纤维复合材料，且其模量与天然骨骼匹配，适用于骨修复。

• 应用领域：人工骨骼、血管移植物、抗冲击材料（如头盔、汽车保险杠）及柔性电子器件（如辐射降温织物）。

• 加工方法：包括螺杆挤出、浸渍/铸造和冷冻干燥，适用于多孔支架的制备。

• 性能特点：长纤维的随机排列可分散载荷，提升拉伸模量（1-5.9 GPa），但冲击强度较低。定向排列的长纤维复合材料力学性能接近织物复合材料。

• 生物医学应用：用于骨组织工程支架、软骨再生和伤口敷料，其孔隙率和力学性能可调控以满足不同植入需求。

4. 纳米原纤蚕丝增强复合材料（nf-SRCs）

• 制备策略：通过“自上而下”（溶剂剥离）和“自下而上”（自组装）方法获得纳米原纤，结合冷冻干燥或真空过滤技术形成多孔膜或凝胶。

• 强化机制：纳米原纤的高比表面积和氢键作用显著提升基体材料的力学性能（如拉伸强度达364 MPa）。

• 多功能应用：用于水净化膜、空气过滤材料、柔性传感器及智能纺织品，兼具高效过滤与传感功能。

5. 蚕丝与其他组分的相互作用

• 界面机制：包括分子链缠结、氢键、共价交联和偶联剂作用，直接影响复合材料的力学与功能特性。

• 优化策略：通过表面改性（如等离子处理）或化学偶联（如硅烷偶联剂）增强纤维与基体的界面结合。

结论与展望

蚕丝增强复合材料（SRCs）凭借其可持续性和多功能性，在生物医学、电子和环境领域展现出巨大潜力。未来研究需聚焦以下方向：

1. 规模化生产：优化强制抽丝技术，推动再生丝纤维的工业化应用。

2. 逆向设计：结合人工智能与多尺度模型，实现复合材料性能的精准预测与调控。

3. 多功能集成：开发兼具力学强度、环境响应和生物活性的智能材料。

4. 长期稳定性：评估SRCs在真实环境（如体内植入）中的降解行为与耐久性。
   通过跨学科合作与技术革新，SRCs有望成为下一代高性能材料的重要候选。