钢铁、合金、工程塑料等高耗能结构材料碳排放居高不下，天然竹子生长速度快、资源量大，但细胞壁孔隙多、界面结合弱，硬度与强度难以满足工业承载、防护场景需求。中国林业科学研究院木材工业研究所联合国家竹产业研究院团队提出仿生再生木质化改性策略，模拟竹子数年自然木质硬化过程并压缩至数小时制备超硬竹（UHB），相关研究成果刊载于Exploration。工艺采用真空浸渍木质素改性酚醛树脂，搭配高温高压致密化处理，在竹细胞壁内部原位构筑共价交联芳香网络，同步实现多级孔隙压实、纤维素结晶度提升。改性后竹材拉伸强度 503 MPa，布氏硬度 42.1 HB，比强度、比硬度超越多款钢材与铝合金；同时具备阻燃、抗真菌腐蚀、低吸水尺寸稳定、高速冲击吸能与弹道防护能力，全生命周期评估显示其碳足迹远低于金属与塑料，工业化生产成本低廉，可广泛用于建筑、交通、防护装备、日用制品领域。通讯单位为中国林业科学研究院木材工业研究所、国家竹产业研究院。
文章摘要
No.2
要开发可持续的结构材料，必须兼顾高性能、可再生资源利用及低环境影响。本文提出一种仿生再生木质化策略，可在竹子细胞壁内部直接构建类木质素共价网络，将长达数年的自然硬化过程压缩至数小时。与传统的脱木质-致密化或聚合物填充方法不同，该方法在化学稳定竹材基质的同时，完整保留了其层级结构。所得超硬竹材的拉伸强度达503 MPa，布氏硬度为42.1 HB，其单位重量性能值甚至超越钢材和铝合金。多尺度分析表明，细胞壁致密化、纤维素结晶度提升以及树脂-纤维素交联作用的协同效应共同推动了性能突破。除强度与硬度外，该材料还展现出优异的阻燃性、抗真菌性和水环境中尺寸稳定性。 techno-economic评估与生命周期分析均证实，其成本具有竞争力且碳足迹显著低于传统结构金属和塑料。这种可规模化应用的仿生方法为将丰富生物质转化为性能超越传统工程合金的下一代可持续材料提供了通用路径。
文章亮点
No.3
•区别主流脱木素致密化、简单塑料填充两种竹材强化方法，不剥离天然木质素，而是模拟植物自然木质增厚机理，向细胞壁内补充酚醛芳香交联网络；将竹子数年自然硬化周期缩短至数小时，完整保留竹材原生层级纤维骨架，不会破坏本身梯度纤维结构。
•树脂浸渍热压双重作用协同增效：热压压缩消除薄壁细胞大量孔隙，树脂在细胞壁内形成醚键共价交联网络，纤维素结晶度由 56% 提升至 71.7%，纤维间微纤维间距缩小。最优样品拉伸强度达天然竹 3.4 倍、抗压强度 4.4 倍、布氏硬度提升 2.6 倍，单位重量强度、硬度优于不锈钢、铝合金等传统合金材料。
•高应变率霍普金森压杆测试下动态抗压强度达 1200 MPa，冲击吸能是天然竹 2.4 倍；落锤冲击可通过界面滑移、微裂纹分叉多重路径耗散能量，不会发生脆性贯穿开裂。20 mm 厚度板材可抵御 7.62 mm 手枪子弹冲击，背板无破损，具备轻量化防弹板材应用潜力。
文章内容
No.4
图1 超硬竹材的仿生木质化策略
图2 超硬竹的形态学、结构特征及化学键合特性
当前主流高强度结构材料高度依赖高碳排放金属与石化塑料，天然竹材受疏松细胞结构限制，力学、耐候短板明显，难以用于承载、防护等高要求工况。中国林科院团队提出仿生再生木质化改性新方法，通过原位构建细胞壁芳香交联网络结合高温致密化，同步提升竹材强度、硬度、抗冲击、耐候综合性能。该改性工艺可规模化落地，成品轻量化、低成本、低碳环保，同时兼具阻燃防霉、防水稳定、弹道防护等附加优势，能够替代部分合金、工程塑料用于建筑构件、交通内饰、防护板材、厨具等产品。现阶段研究仅完成实验室小样与工艺中试，后续可开发不同厚度、层压结构定制化产品，完善大型构件成型工艺，推动超硬竹材料工业化批量应用。
