Bombyx Mori与Antheraea Pernyi蚕丝纤维杂化复合材料的协同效应及其性能优化研究

本研究首次系统探究了家蚕丝(BM)与柞蚕丝(AP)杂化纤维复合材料的力学与热学性能。通过真空辅助树脂传递模塑法制备不同配比的复合材料，发现8AP+4BM杂化体系在23°C下兼具优异拉伸强度(96 MPa)、模量(5.4 GPa)和冲击强度(64 kJ/m2)，其玻璃化转变温度达95°C，为生物医用复合材料设计提供了新思路。

　　

在追求可持续发展的时代背景下，天然纤维增强复合材料因其可再生、可降解特性备受关注。蚕丝作为独特的动物蛋白纤维，具有优异的比强度和断裂伸长率，其中家蚕丝(Bombyx Mori, BM)和柞蚕丝(Antheraea Pernyi, AP)是最具应用潜力的两种类型。然而现有研究多聚焦单一蚕丝体系，对杂化蚕丝复合材料的性能调控机制缺乏系统认知。中国的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表论文，首次揭示了BM/AP杂化纤维复合材料的协同效应。

研究采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)技术制备了四种不同纤维配比的环氧树脂基复合材料，通过-50°C至60°C宽温域力学测试、动态机械分析(DMA)和扫描电镜(SEM)等手段，系统评价了温度对材料性能的影响机制。特别设计了液氮预冷和烘箱预热的时间控制方案，确保冲击测试的温度准确性。

3.1 复合材料拉伸结果
研究发现BM纤维含量与复合材料模量呈正相关，20BM样品在-50°C时模量最高(8.1 GPa)。AP纤维则显著提升韧性，10AP样品在60°C时断裂伸长率达19%。SEM显示AP纤维存在独特的微纤维滑移和解离机制，高温下纤维拔出长度增加3倍，这种层级破坏结构使其能量吸收能力随温度升高提升478.9%。

3.2 复合材料Charpy冲击结果
8AP+4BM杂化体系展现出最佳冲击性能，室温下冲击强度较纯BM提高130%。温度敏感性分析表明，AP含量每增加1层，冲击强度温度系数提升15%，这与DMA测试中损耗模量(E")的变化趋势高度吻合。

3.3 复合材料DMA结果
玻璃化转变温度(T_g)呈现20BM(95°C)>4AP+12BM(93°C)>8AP+4BM(91°C)>10AP(88°C)的规律。研究发现BM纤维三角形截面产生的界面面积/周长比(0.41 μm^-1)显著高于AP纤维(0.25 μm^-1)，这是调控T_g的关键形貌因素。

3.4 纤维杂化优势
雷达图分析证实8AP+4BM配置在力学-热学性能平衡性上最优，其冲击强度比纯BM高96-130%，同时保持5.4 GPa的较高模量。这种"刚韧并济"的特性使其特别适用于需要抗冲击的医用植入物或汽车防撞结构。

该研究开创性地证实了蚕丝纤维杂化策略的科学价值：BM纤维提供刚性骨架，AP纤维贡献韧性网络，二者协同可突破单一材料性能极限。研究者建议未来可优化纤维堆叠序列，如采用"三明治"结构进一步发挥AP纤维的增韧优势。这项成果为开发新一代生物医用复合材料提供了重要理论支撑，特别是在人工软骨、骨修复支架等需要兼顾力学强度和能量吸收的领域展现出广阔应用前景。