全球气候变化正在加剧极端天气事件的频率和强度，洪水、风暴、野火等灾害对建筑材料的机械完整性和功能性提出了前所未有的挑战。与此同时，传统建筑材料（水泥、钢材和工程木材）的生产约占全球碳排放的25%，这使得开发既能抵御极端环境、又具备环境可持续性的下一代建筑材料成为迫切需求。天然木材虽然可再生、具有机械灵活性，但其高孔隙率和亲水性导致易吸湿、易燃、易生物降解，在极端环境下应用受限；而陶瓷虽然具备高刚度、热稳定性和化学惰性，但其固有的脆性限制了其作为结构材料的广泛应用（图1a、b）。如何在保持木材优势的同时克服其缺陷，一直是材料科学领域的难题。
针对这一挑战，普渡大学李恬教授团队报道了一种名为“陶瓷木材”的新型复合材料。该材料通过利用天然木材内部固有的微纳流体通道网络，将硅酸钙前驱体均匀浸渍到木材支架中，在室温条件下原位自组装形成硅酸钙水合物纳米颗粒。所得的陶瓷木材既保留了天然木材的各向异性微观结构，又通过陶瓷颗粒的均匀填充大幅提升了力学性能，展现出高强度、高韧性、优异的阻燃性以及耐湿、耐真菌和耐碱环境的特性。此外，该材料还能通过碳化反应吸收二氧化碳，进一步降低碳足迹（图1c、d）。相关论文以“In-situ ceramic nanoparticle assembly within wood microstructure for strong, tough, and resilient ceramic wood”为题，发表在Nature Communications上。
图1 | 陶瓷木材的设计原理与性能总览。 a-c. 左图： 天然木材、水泥和陶瓷木材的性能雷达图对比。 中图： 有限元法模拟天然木材(a)和水泥(b)在应力下的裂纹扩展。分子动力学模拟揭示了纳米尺度下陶瓷与纤维素之间的界面键合。 右图： 展示天然木材(a)和水泥(b)裂纹失效以及通过工程化界面键合制备的陶瓷木材(c)的照片。 d. 示意图 展示了微流控辅助的原位合成过程：陶瓷纳米颗粒（白色）沿排列整齐的纤维素支架自发组织。钙离子(Ca²⁺)和硅酸根离子(SiO₃²⁻/Si⁴⁺)通过微流体传输沿木材纤维通道扩散并原位反应形成陶瓷纳米颗粒，比例尺：200微米。
研究团队首先揭示了陶瓷木材的制备机制。天然木材具有纵向排列的纤维素纤维和相互连通的微纳尺度通道，这种结构使得前驱体离子能够快速、均匀地沿木材通道渗透，而非依赖扩散受限的浸渍过程（图2a）。实验表明，经过原位矿化后，陶瓷木材的表面电荷密度显著增加，zeta电位绝对值从天然木材的39.7±2.31 mV提升至76.7±0.42 mV，显示出增强的离子传输效率。尽管由于纳米通道被陶瓷颗粒部分填充，陶瓷木材的电阻率从天然木材的272.02±2.65 Ω·m增加至594.56±3.84 Ω·m，但这恰恰证明了矿物相的均匀沉积（图2b、c）。
通过傅里叶变换红外光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱分析，研究人员证实了陶瓷相与纤维素基质之间的化学键合。X射线衍射图谱显示，陶瓷木材在约29.1°和34.2°处出现了新的衍射峰，分别对应硅酸钙水合物和氢氧化钙，而纤维素在约22°的特征衍射峰强度显著降低，表明无机相对纤维素结晶结构的调控作用（图2d）。X射线光电子能谱数据进一步揭示了Ca-O-H和Ca-O-C键的形成，证明陶瓷相并非简单沉积在木材表面，而是与纤维素基质实现了化学层面的整合（图2e）。
扫描电子显微镜图像直观展示了陶瓷木材的结构演变。天然木材保留了纵向纤维排列，其内在通道孔径范围为10至200微米（图2f-i）。经过处理后，这些中空通道被自组装的陶瓷纳米颗粒填充，形成了更为致密的复合结构（图2j）。侧面X射线计算机断层扫描图像证实，天然木材中的大部分中空通道被陶瓷纳米颗粒占据（图2k）。高倍放大图像显示，陶瓷纳米颗粒以密集堆积的团聚体形式被限制在纤维素基质的纳米级孔隙内（图2l、m）。纳米计算机断层扫描三维重建进一步确认，陶瓷填充域均匀分布于整个扫描体积，覆盖了大导管和小纤维通道，未发现表面矿物聚集现象。研究团队还制备了100毫米厚的陶瓷木材立方体，从表面到中心多个深度的截面显微镜图像显示陶瓷纳米颗粒填充一致，无梯度变化。
图2 | 陶瓷木材的形态结构。 a. 前驱体离子沿木材排列通道的高效纳微流体传输实现快速浸润。 b. 天然木材与陶瓷木材的离子电导率对比，表明陶瓷木材纳米通道的纳流体行为增强。误差线代表三次独立测量的标准差。 c. 陶瓷木材与天然木材的电阻率测试。误差线代表三次独立测量的标准差。 d. 天然木材与陶瓷木材的X射线衍射图谱。 e. 陶瓷木材的X射线光电子能谱。 f-i. 不同尺度下天然木材的横截面图像：(f) 顶部图显示不同尺寸的孔隙；(g) 侧视XCT图像显示中空排列的木材通道；(h) 顶部图显示年轮中的微孔；(i) 纳米纤维孔。 j-m. 不同尺度下陶瓷木材的横截面图像：(j) 顶部图显示纳米颗粒填充在不同尺寸孔隙中；(k) 侧视XCT图像显示纳米颗粒填充在中空排列的木材通道中；(l) 顶部图显示纳米颗粒填充在微孔中；(m) 纳米纤维孔被纳米颗粒填充。
力学性能测试是本研究的重要亮点。在轴向（平行于纤维方向），陶瓷木材的抗拉强度达到370.8±27.5 MPa，是典型天然木材的8倍，显著高于水泥浆体（图3a）。径向抗压强度达到308.9±5.5 MPa，比天然木材提高了28倍以上，远超传统水泥（图3b）。轴向抗弯强度达到266.3±1.3 MPa，是纯水泥的37倍，也显著优于天然木材的63.4±2.7 MPa（图3c）。陶瓷木材的韧性达到8.2±1.1 MJ m⁻³，约为天然木材的3.5倍。其密度为1.56±0.31 g cm⁻³，比天然木材增重92.5%，但仍显著低于传统水泥基材料。比拉伸强度约为238 MPa·cm³/g，是天然木材的4倍以上，证明力学增强不仅源于致密化，更得益于木材支架与原位形成的硅酸钙水合物网络之间的强界面键合。研究团队还用一辆2029公斤的U-Haul卡车进行了载荷测试，证实陶瓷木材在大载荷下保持结构完整性（图3d）。
分子动力学模拟揭示了陶瓷木材的微观增韧机制（图3e）。纤维素与硅酸钙水合物之间的界面上存在大量氢键，这源于纤维素碳骨架上的丰富羟基与硅酸钙水合物硅酸盐链上的羟基之间的相互作用。在压缩条件下，界面面积的增加有助于强度提升，最大压缩强度达1.2 GPa（图3f）。拉伸测试显示，面内拉伸最大强度为0.65 GPa，面外拉伸为0.25 GPa，相差1.6倍（图3g、h）。在剪切过程中，氢键的形成和断裂产生周期性事件，动摩擦应力在0.5 GPa附近振荡，表明陶瓷木材比天然木材具有更高的断裂能耗散能力。
图3 | 陶瓷木材的力学性能。 a-c. 水泥、天然木材和陶瓷木材的力学性能对比：轴向抗拉强度(a)、径向抗压强度(b)和轴向抗弯强度(c)。误差线代表三次独立测量的标准差。 d. 陶瓷木材承载U-Haul卡车重量而未发生结构失效的负载演示照片。 e. 模拟陶瓷木材的全景图。 f-h. 纤维素（木材相）与C-S-H（陶瓷相）在不同加载条件下的界面键合：(f) 面外（z轴）压缩；(g) 面内（x轴）平行于界面的拉伸；(h) 面外（z轴）拉伸。
有限元分析进一步验证了陶瓷木材在大尺度结构应用中的潜力。按照ACI 318-19规范设计的柱和梁弯曲测试显示，陶瓷木材在载荷下的位移显著低于天然木材和混凝土。在模拟130英里/小时强风和6.5级地震的条件下，陶瓷木材结构均表现出优于混凝土和天然木材的变形控制能力（图4e-h）。
耐久性测试同样令人瞩目。锥形量热仪测试显示，陶瓷木材的峰值热释放率从天然木材的482.47 kW m⁻²降至192.06 kW m⁻²，降低约60%；点燃时间从41秒延迟至65秒；总热释放量从18.8 MJ m⁻²降至9.97 MJ m⁻²，降低约47%（图4a）。UL-94垂直燃烧测试中，优化条件下的陶瓷木材达到V-0等级，具有快速自熄和无滴落特性（图4b）。抗碱性测试表明，经过144小时的湿-干循环（溶液pH=13），陶瓷木材的毛细吸水系数为109.78 g m⁻²，比天然木材的544.4 g m⁻²降低了79.83%（图4c、d）。在冻融循环和液氮热冲击测试中，天然木材出现明显开裂和碎裂，而陶瓷木材保持了结构完整性。抗真菌测试也显示，陶瓷木材表面和周围区域的真菌生长显著受限，这归因于硅酸钙水合物水化形成的高碱性表面和致密化微观结构。
图4 | 陶瓷木材与天然木材的耐久性对比。 a. 天然木材与陶瓷木材的热释放速率曲线。 b. 陶瓷木材的UL94垂直燃烧测试：第一次火焰暴露、移开火焰后样品外观、第二次火焰暴露以及燃烧过程中无熔滴。 c. 天然木材与陶瓷木材的耐碱性性能对比。 d. 天然木材与陶瓷木材的耐水-干循环性能对比。 e-h. 动态加载下陶瓷木材、混凝土建筑和工程木建筑变形的有限元模拟结果：(e) 强风荷载下的位移分布；(f) 风荷载下木材、陶瓷木材和混凝土的位移对比；(g) 地震荷载下的位移分布；(h) 地震荷载下木材、陶瓷木材和混凝土的位移对比。
在可持续性方面，陶瓷木材展现了独特的碳捕获能力（图5a）。在实验室条件下（20°C，70%相对湿度，20% CO₂），陶瓷木材在120天内每立方米可吸收约292 kg CO₂。生命周期评估表明，由于无需传统水泥生产中的高温熟料形成（通常超过1350°C），陶瓷木材每吨的隐含CO₂当量排放比传统水泥生产（约850 kg CO₂e t⁻¹）降低约41%（图5b）。当计入碳化吸收的CO₂后，陶瓷木材在使用约15年后实现净碳负平衡。研究团队模拟了在全球100多个城市用陶瓷木材建造二层住宅公寓的情景，结果显示所有地区均实现较低的净碳足迹（图5c）。此外，室温制备工艺避免了腐蚀性化学品和高能耗设备，已成功制备出1.6米长的陶瓷木材构件，展示了良好的规模化前景（图5d）。
图5 | 陶瓷木材的碳捕获能力。 a. 示意图展示从树木生物碳储存到工程木材结构中通过碳酸化长期吸收CO₂的碳循环。CO₂最初被树木吸收，以生物质储存，随后融入多孔陶瓷木材材料，快速离子浸润促进碳酸化反应，随时间与钙离子(Ca²⁺)形成稳定的碳酸盐(CO₃²⁻)。 b. 生命周期评估系统边界的工艺流程图。 c. 在假设的建筑尺度部署情景下，陶瓷木材净碳足迹减排潜力的全球模拟地图。 d. 大规模陶瓷木材的照片。
总结而言，陶瓷木材通过原位陶瓷纳米颗粒组装，成功实现了木材的微观结构增强，同时保留了其各向异性的分层架构。该材料具有高径向抗压强度（308.9±5.5 MPa）、高韧性（8.2±1.1 MJ m⁻³）、高轴向抗拉强度（370.8 MPa）和高轴向抗弯强度（266.3 MPa）。陶瓷相的引入降低了孔隙率，形成了阻隔水和氧气传输的屏障，赋予陶瓷木材优异的阻燃性和耐水性。其隐含碳排放仅为0.21 kg CO₂ per kg材料，同时可通过碳化吸收0.39 kg CO₂ per kg材料，具有成为碳汇的潜力。这种兼具力学性能、环境耐久性和低碳足迹的新型结构材料，有望替代传统建筑材料，为可持续和韧性基础设施的发展提供新的解决方案。
来源：高分子科学前沿
