摘要：近年来，纤维材料研究主要聚焦于超高强度模量或优异韧性的石油基合成纤维及无机纤维，这些材料在特种服装、航空航天、医疗器械及新能源等领域得到广泛应用。传统石油基合成纤维（如芳纶、碳纤维）及无机纤维（如玻璃纤维）虽具备高强度，却普遍面临韧性不足的瓶颈。与此同时，生物
近年来，纤维材料研究主要聚焦于超高强度模量或优异韧性的石油基合成纤维及无机纤维，这些材料在特种服装、航空航天、医疗器械及新能源等领域得到广泛应用。传统石油基合成纤维（如芳纶、碳纤维）及无机纤维（如玻璃纤维）虽具备高强度，却普遍面临韧性不足的瓶颈。与此同时，生物质纤维（如竹纤维）作为传统纤维材料的有力补充，其力学性能（如断裂应变、韧性）往往难以达到工程应用标准。如何通过普适性方法提升纤维的综合性能，尤其是兼顾高强度与高韧性，成为材料科学领域的重大挑战。
自然界中，生物质材料（如蚕丝、贝壳、骨骼等）通过多尺度界面设计，实现了强度与韧性的平衡。例如，动物丝可凭借微纤维的弱界面滑移和蛋白质基质的能量耗散机制，展现出高达150 MJ m⁻³的断裂韧性，远超大多数人工合成材料。受此启发，安徽农业大学郑可、叶冬冬团队联合上海科技大学凌盛杰教授团队等，创新性地提出了一种仿生界面工程策略，通过引入天然丝素蛋白作为柔性界面层，成功将短而脆的竹纤维转化为超长、高韧性的复合纤维。通过实验结果表明，经过处理后的复合纤维表现出卓越的断裂韧性（115±17 MJ m⁻³），较原始竹原纤维提升约12倍，断裂伸长率可达约30%。通过精准调控丝素蛋白的力学性能，该策略可拓展至包括生物质纤维、合成高分子纤维（如凯夫拉纤维）及无机纤维（如玻璃纤维）在内的多种刚性纤维增韧场景。同时，这种方法还可以实现大规模、连续化制备，因此在工业实际应用中表现出了极大的潜力。该研究以题为“Biomimetic Interface Engineering Approach for Universal Toughening of Rigid Fibers”的论文发表于《Advanced Functional Materials》上。
【仿生界面工程普适性增韧刚性纤维】
这项研究工作中，团队模仿动物丝的天然层次构造，设计了一种“刚柔并济”的复合纤维：将竹纤维作为刚性骨架，丝素蛋白作为柔性基质填充于纤维间隙，在纤维内部形成刚柔结合的界面。同时，通过连续纺丝装置，经剪切力诱导形成交替排列的束状结构，实现竹-丝复合纤维（BSFs）的规模化制备。在此项工作中，纤维韧性的大幅度提高主要依赖于丝素蛋白向竹纤维之间引入了弱界面作用。在拉伸过程中，竹纤维间的相互滑移提高了复合纤维的断裂伸长率。此外，相对柔软的蛋白质（其模量约为550 MPa，仅为竹纤维的1/50–1/70）可以有效地分散应力并耗散断裂能，进而实现增韧效果。
图1. 竹基-丝蛋白复合纤维的连续化制备及其力学性能
采用拉曼光谱和同步辐射红外成像（S-FTIR）表征显示，丝素蛋白主要分布于竹微纤维表面及缺陷处，形成“软包硬”的界面结构。同时研究者通过X射线能谱分析显示。来源于丝素蛋白的氮元素在界面处富集，再次证实了软硬相间的仿生结构。通过超高速相机监视BSF的断裂行为，揭示了此类仿生结构阻止了缺口纤维在拉伸过程中裂纹的横向扩展，表明BSF通过界面滑移有效分散了局部应力。
图2 . 复合纤维的结构以及组分分布
利用“拉伸-剪切”模型，研究了复合纤维中两相的协同机制，即竹纤维主要承担拉伸载荷，而丝素蛋白通过粘弹性变形和界面滑移耗散能量。模型计算与实验数据高度吻合，证实丝素蛋白的模量（550 MPa）与竹纤维（30-40 GPa）相差50-70倍时，界面能量耗散效率最优。该技术的突破性在于其广泛适用性，研究团队进一步将该界面工程策略应用于Kevlar和玻璃纤维。实验显示，Kevlar@丝素复合纤维的韧性从41 MJ m⁻³提升至236 MJ m⁻³，玻璃纤维@丝素复合纤维的韧性从20 MJ m⁻³增至120 MJ m⁻³。然而，当该策略应用于模量相近的天然毛发（与丝素蛋白模量之比小于10）时，增韧效果显著下降，印证了“刚柔并济”是该策略的前提条件。
图3 . 复合纤维的增韧机制及其断裂行为与性能
图5 . 仿生界面工程策略对刚性纤维增韧的普适性
总结：本研究采用仿生界面工程的策略，成功将“强且脆”的竹纤维转化为兼具高强度（500 MPa）与高韧性（115±17 MJ m⁻³）的连续长纤维，其性能媲美天然蜘蛛丝。同时，研究通过“拉伸-剪切”模型表明BSF的卓越韧性主要归因于丝素蛋白的粘弹性以及蛋白质-纤维素界面的滑移，阐述了仿生界面工程的增韧机制。理论上任何刚度远高于丝素蛋白的材料都可以通过这种方法得到韧性增强。该策略为生物质纤维、合成纤维及无机纤维的高性能化提供了一项通用解决方案，未来有望开发出新一代轻质、高强、高韧的复合纤维，应用于柔性电子、智能纺织、结构复合材料等领域。
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来源：高分子科学前沿