亚麻复合材料，登上AM！

微生物诱导矿化：为亚麻复合材料打造“自然之桥”

随着现代交通运输和清洁能源转型对轻质高强材料的需求日益增长，天然纤维复合材料因其碳捕集潜力和优异的比力学性能而备受关注。其中，亚麻纤维凭借其高达1.39 kg CO₂/kg的固碳能力和堪比铝材与玻璃纤维复合材料的比强度，成为极具前景的增强体。然而，这种源于生物质、亲水性的纤维素纤维与疏水性聚合物基体之间的界面相容性极差，加之其固有的不连续短纤维结构和加工过程中产生的扭结带，导致复合材料在压缩载荷下极易发生微屈曲和扭结带失效，压缩强度低成为制约其在风电叶片等关键领域应用的核心瓶颈。

受自然界珍珠层“砖泥结构”通过矿物桥实现应力传递和增韧的启发，荷兰代尔夫特理工大学Kunal Masania教授团队提出了一种创新的生物矿化策略。他们利用巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）的脲酶活性，在亚麻纱线表面原位诱导类白云石矿物沉淀。通过精确调控盐浓度等工艺参数，研究人员成功实现了矿物颗粒在纤维表面的可控沉积，构建了纱线内部及纱线间的矿物桥接网络，并显著增加了纤维表面粗糙度。这一仿生途径不仅避免了传统化学处理的弊端，更使亚麻/环氧树脂复合材料的压缩韧性提升了178%，压缩强度提升了30%，为天然纤维复合材料的性能定制提供了一条可持续、可扩展的全新路径。相关论文以“Flax Composites With Improved Interfacial Strength Through Microbially Induced Mineral Precipitation”为题，发表在Advanced Materials上。

从植物到复合材料的微观蓝图

研究团队首先系统解析了亚麻纤维的多级结构：从植物茎秆中的技术纤维，到由初生纤维细胞构成的纱线，再到纤维素微纤丝，每一层级都影响着宏观力学性能。原生与加工缺陷，如扭结带，在纱线加捻结构的复合作用下，成为压缩载荷下屈曲失效的策源地。研究假设，通过生物矿化形成的矿物桥接——包括连接相邻纱线的“纱线间桥接”和加固纱线内部结构的“纱线内桥接”，配合表面粗糙化机制，能协同改善纤维-基体界面粘附、层间剪切强度及抗压性能。而实现这一目标的关键，在于对细菌活性与矿化程度的精细调控。

图1 亚麻纤维的多级结构及通过生物矿化（BM）实现的增强策略。亚麻植物及木质纤维素亚麻纤维的多级结构。亚麻纱线的SEM图像，显示其由亚麻初生纤维构成。处理前，含有生长及加工诱导扭结带的亚麻纱线在压缩载荷下引发屈曲。

粒子成核与工艺调控的设计实验

为了优化矿化过程，团队采用实验设计（DoE）方法筛选了关键参数。在矿化过程中，巴氏芽孢杆菌产生的脲酶催化尿素分解，释放铵根和碳酸根离子，提升环境pH值，从而吸引钙、镁离子在带负电的纤维素羟基位点成核生长。扫描电镜（SEM）证实矿物颗粒与纤维界面结合紧密，甚至当纤维撕裂时矿物仍牢固附着，表明其已实现“机械锚定”。DoE结果表明，盐浓度是调控微观结构的最有力杠杆：高盐浓度促进颗粒长大、降低团聚、提升表面覆盖率；温度影响沉积效率；而搅拌则因剪切力干扰而减小颗粒尺寸。优选30°C静置培养条件后，团队聚焦于盐浓度对结构与性能关系的塑造。

图2 颗粒成核导致纤维与颗粒间产生强粘附。改变盐浓度、温度和培养过程中的搅拌条件，会影响颗粒尺寸、团聚程度、纤维表面覆盖率及颗粒沉积产率。(a) 亚麻纱线生物矿化的步骤，标明了影响颗粒成核与生长的关键参数。(b) 巴氏芽孢杆菌的脲酶活性将尿素分解为碳酸盐和氨。关键的离子相互作用促进了类白云石颗粒的形成，并使其在因表面纤维素羟基而带负电的亚麻上成核。(c) SEM图像展示了两种沉积类型：(i) 细菌附着于纤维表面；(ii) 颗粒直接成核。从纤维上剥离的颗粒导致纤维素原纤化，表明纤维与颗粒间界面结合牢固。(d) 盐浓度、温度和搅拌对颗粒尺寸、方差均值比（VMR）、表面覆盖率和沉积产率的影响。黑色圆圈表示各因素各水平下的均值及标准差。黑色线越陡，表示对应因素的影响越显著。黑色虚线表示对应图的平均值。每个实验的p值标注在对应图中。

微观结构演变与桥接力学

随处理盐浓度从10 mM升至100 mM，矿物颗粒平均直径呈幂律增长（约5-10倍），但颗粒数量锐减约90%，且尺寸异质性增加。更重要的是，在50 mM和100 mM浓度下，矿物颗粒成功架起了连接相邻纤维的“桥梁”。表面粗糙度分析表明，矿化可使纤维表面积增加率最高达40%（50 mM时），但在100 mM时因颗粒过大导致有效增粗面积降至约32%，表明存在优化阈值。为量化桥接强度，团队设计了“纱线双悬臂梁”剥离实验。结果显示，100 mM处理样品的剥离峰值力（约0.032 N）比10 mM样品（0.002 N）高出一个数量级，计算得到的界面断裂能G从0.0036 J/m²跃升至0.2847 J/m²，提升近80倍。同时，单位长度上的桥接数量增加了约11倍，桥接间距从约80 mm缩至7 mm以内，矿物桥覆盖率提升约40倍。尽管该矿物桥密度（0.006）仍远低于天然珍珠层（0.05-0.2），但已能显著改善力学性能，表明亚麻纤维自身的层级结构也参与了应力再分配。

图3 不同盐浓度下生物矿化亚麻纱线的微观结构及纱线间桥接形成。(a) 各盐浓度下代表性SEM图像，下方为相应的颗粒尺寸分布（统计了尺寸与数量）。(b) 平均颗粒直径与盐浓度的关系，数据拟合为幂律关系。(c) 利用SEM图像对纤维表面颗粒进行三维形貌重建，并计算相对于未处理纤维的表面积增加百分比，各盐浓度结果如图所示。(d) 纱线双悬臂梁剥离实验示意图、典型力-位移曲线及计算所得断裂能（G）。(e) 每毫米桥接数量、平均桥接间距及矿物桥覆盖率随盐浓度的变化趋势。

宏观力学性能的综合提升

尽管矿化沉积使复合材料纤维体积分数（Vf）从未处理样品的53%逐渐降至100 mM样品的38%，但力学测试显示性能全面反超。短梁剪切测试中，横向层间剪切强度（ILSS）提升超过一倍，达到7 MPa，且失效模式由未处理样品的灾难性纱线断裂转变为裂纹偏转和扩展受阻；纵向ILSS提升约31%，与表面面积增加幅度高度吻合，表明纵向性能提升主要归因于表面粗糙化带来的机械互锁增强。压缩测试显示，100 mM样品的压缩强度提升约11%至112 MPa，而压缩韧性几乎翻了三倍，达到2.6 MJ/m³，归因于强化的界面约束了微屈曲，使失效模式从局部扭结转变为更分散的变形响应。弯曲强度提升约15%至185 MPa，但弯曲韧性下降约11%，因为过强的界面抑制了纤维拔出和脱粘等耗能机制。将数据归一化至50%纤维体积分数后，生物矿化复合材料的压缩强度提升29%，弯曲强度提升60%，在Ashby图中展现出优于多数文献报道的亚麻复合材料的综合性能，进一步缩小了与玻璃纤维复合材料的性能差距。

图4 亚麻纤维的生物矿化提升了其复合材料的压缩强度、界面剪切强度及弯曲强度。(a) 生物矿化处理前后的亚麻织物、灌注后的样品照片，以及不同处理浓度制备样品的厚度与纤维体积分数。Ref. 指未进行生物矿化的参比样。(b) 短梁剪切测试装置、横向样品显微照片（从左至右：Ref.、20 mM和100 mM BM），红色线标出断裂路径，黑色圆圈标出断裂纱线。横向与纵向层间剪切强度均随处理浓度增加而提升。(c) 压缩与弯曲测试结果。σC为压缩强度，UC为压缩韧性，σF为弯曲强度，UF为弯曲韧性。压缩强度、弯曲强度及压缩韧性均提升，而弯曲韧性略有下降。(d) 归一化弯曲强度与压缩强度的Ashby图，对比不同亚麻复合材料及本研究中的生物矿化亚麻复合材料。

总结与展望

本研究通过微生物诱导矿化，成功在亚麻纤维中引入了仿生矿物桥接网络，证实了表面粗糙化与桥接效应是压缩、层间剪切及弯曲性能提升的核心机制。未来研究需着力优化矿化动力学与颗粒空间分布均匀性，以在高纤维体积分数下实现性能增益最大化。同时，需评估该方法的长期耐久性、湿热老化行为及全生命周期环境与经济性。将生物矿化与增材制造等先进工艺结合，有望为可持续结构提供一种高性能、可捕获CO₂的新型复合材料解决方案。