超级木头又来了！硬度增加23倍，有望替代钢和塑料

导读：一种简单有效的方法将天然木材加工成硬化木材，硬度增加23倍！加工成的餐刀锋利程度几乎是商用餐刀的三倍；硬化木材制成的钉子可以达到与钢钉相当的性能。这种硬化木材以其可再生和低成本特点有望代替钢和塑料。

坚硬的材料在工程应用中需求量很大。广泛使用的合金和陶瓷等往往是不可再生且昂贵的。它们的生产需要高能耗，往往会对环境造成负面影响。

在此，来自美国马里兰大学的李腾等研究者展示了一种潜在的低成本和可持续的天然木材硬质材料，有望代替钢材和塑料。相关论文以题为“Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic”发表在Matter上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521004653

硬质材料，如镍基和钛基合金，金属的氮化物和碳化物，如氮化碳，氮化硼和金刚石等，在众多领域都有很大的兴趣，包括切割和抛光工具，连接和固定材料，以及耐磨涂层等。然而，这些广泛使用的硬质材料，往往是不可再生的且价格昂贵。例如，许多硬质材料的合成，需要极端的条件(如超高压和高温)，因此，存在潜在的安全挑战，同时需要消耗巨大的能源。这种合成过程，往往会排放大量的废气，对环境造成负面影响。因此，一种可在简单过程中生产的可持续的、低成本的硬质材料是非常可取的，但迄今为止仍然是一个挑战。

木材，作为建筑、家具和工具的结构材料，在人类社会中已经广泛使用了数千年。地球上有超过万亿棵成熟的树木。由于木材及其衍生物的天然丰富性和内在可再生性，人们对利用木材作为石油衍生材料(如塑料)和其他不可持续材料(如混凝土和钢材)的潜在低成本替代品的兴趣大增。纤维素是木材的主要组成部分(40 – 45 wt %)，是地球上含量最丰富的生物聚合物，具有非凡的内在力学性能。例如，纤维素的刚度≈150 GPa，理论抗拉强度为1.6-7.7 GPa。纤维素的低密度(1.5-1.6 g cm-3)进一步导致其比强度为1.0-5.1 GPa cm3g-1，高于大多数工程材料，包括钛合金等。这些非常理想的性能表明，将木材转变为高性能结构材料具有巨大潜力。

在这里，研究者展示了一种简单而有效的方法，可将散装天然木材加工成硬化木材(HW)。与天然木材相比硬度增加了23倍。为了展示HW的潜在应用，研究者进一步将HW加工成餐刀，其锋利程度几乎是商用餐刀的三倍。此外，研究者还展示了硬化木材钉，可以达到与钢钉相当的性能，并且可以轻松地钉入天然木板并将它们固定在一起。这些令人鼓舞的演示表明了，硬化木材作为传统硬质材料的可再生和低成本替代品的前景，以及使用HW的额外优势，如减少塑料消耗和克服钢钉生锈等问题。

图1 将大块天然木材直接转化为HW的方法示意图及其潜在应用。

图2 HW的形貌、成分和力学性能。

图3 用食品级矿物油对HW表面进行油处理，得到的耐水性能。

图4 油处理HW作为可重复使用的锋利工作台刀的应用演示。

图5 HW作为轻质防锈钉替代钢钉的应用演示。

在此，研究者展示了一种简单制造基于天然木材的超硬材料的有效策略，以及这种超硬材料的两个潜在应用。通过改变天然木材的化学处理时间来优化生产条件，以达到所得材料的最高硬度值，其硬度是天然木材的23倍。硬化木材的这些卓越的力学性能，再加上其固有的优势，如可持续性、自然丰富和低成本，使其有望在广泛的应用中成为替代钢铁和塑料的候选材料。（文：水生）

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。

来源：材料material