来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202420744

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背景介绍

受环保政策和可持续发展目标的推动，汽车、航空航天、国防和高性能运输行业越来越多地采用轻量化结构材料，以提高能源效率并确保长期可持续性。这一战略转变突显了先进工程材料在推动可持续交通和国防未来方面的重要作用。为了加速这一转变，研究人员正在开创仿生学方法，从自然界无与伦比的工程中汲取灵感。自然系统展现出复杂的多层次结构，这些结构提供了卓越的机械、流体动力学、光学和导电性能等等。通过模仿这些复杂结构，科学家们正在开发前沿的、生物启发的坚固且灵活的材料，这些材料类似于在珍珠母、植物、人类、动物和昆虫中发现的设计。如蝴蝶展现出多种独特的结构，三明治结构的翅膀由轻质多孔鳞片（核心）夹在机械强度高的刚性鳞片（表皮）之间，提供了优异的热管理和机械性能。

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成果掠影

近日，加拿大多伦多大学 Patrick C. Lee团队仿蝴蝶分层杂化复合材料模仿蝴蝶腿部的纤维结构和翅膀的三明治鳞片设计，兼具超轻重量、卓越机械性能和高效热管理能力，有望颠覆汽车、航空和国防领域的材料应用。研究团队以蝴蝶腿部、蝴蝶翅膀为灵感，将纳米石墨烯片（GnP）共价键合到微米玻璃纤维（GF）表面，模仿蝴蝶腿的层级结构，设计出分层纤维增强体；同时，以发泡复合材料为核心，两侧覆盖致密表层，模拟翅膀的“刚柔并济”，设计出三明治复合材料。与传统工业复合材料（PPGF60）相比，新型材料热绝缘性能提升66%，热管理效率提高62%。团队突破了纳米石墨烯的“润滑效应”，提升纤维取向度，增强应力传递；同时，突破了发泡核心的“蜂窝陷阱”，微小孔洞（最小51.1 um）增加热传导路径的曲折度，阻隔热辐射。研究成果以“Butterfly-Inspired Hierarchical Hybrid Composites for Lightweight Structural Thermal Management Applications”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1.尤利西斯蝴蝶中发现的受生物启发的复杂自然结构的插图，以及制造的混合复合材料的设计合成分层结构。使用 BioRender.com 创建。

图2. A） 选定人造复合材料的赫尔曼取向因子与位置（全厚度），B） GF 的 DO 与空隙率的关系，C） 选定人造复合材料的细胞大小和细胞密度，N，与空隙率的关系，以及 D） PPGF10-VF0，E） PPGF10-VF20，F） PPGnP0.5GF10-VF0 和 G） PPGnP0.5GF10-VF20，以可视化和量化细胞大小和细胞密度对 GF 方向的影响。

图3.POM 图像显示了 （A） 空气中大气压和 （B） 超临界 CO 下 14 MPa 下 PP/HNT/GF 复合材料的基体晶体微观结构随时间的变化2.SPM 预压痕梯度和预压痕形貌图像，以及纳米压痕Er映射，用于 （C） α 晶体，D） β 晶体，E） γ 晶体和 F） 转式晶体，突出了基体晶体微观结构内多晶型物的纳米级刚度变化。

图4.A） 选定复合材料的应力-应变曲线，B） 制造复合材料的空隙率和重量减轻的拉伸强度，C） 所收集文献数据中比拉伸模量与比拉伸强度的材料选择表[39-42、84-104]叠加实验结果，D） 弯曲强度和 E） 冲击强度，关于所制造复合材料的空隙率和重量减少，以及 F） 收集的文献数据的冲击强度与密度的材料选择图表[39-42、84-104]与叠加实验结果。该图中报告的复合材料重量减轻与其整体形态密切相关，特别是起泡程度和复合材料的宏观结构。

图5.A） 复合材料的导热系数与增强浓度的关系，B） 选定复合材料的“温度相对于时间”的散热，以及 C） 复合材料前后表面之间的温差。D） PPGF10-VF0-SFS， E） PPGnP0.5GF10-VF0-SFS， F）， PPGF10-VF20-SFS 和 G） PPGnP0.5GF10-VF20-SFS 的热图像，突出了混合复合材料的热管理性能;中间图像高亮显示T麦克斯样本的正面和背面的值。