作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 仿木水泥的形成及三维结构
a)冻结、解冻和固化过程中木质水泥形成微观机制的示意图
b)由水灰比为0的水泥浆料生产的冰模板水泥的XRT体积图
4和1
3与白桦的桦木作比较
材料中的孔隙用蓝色表示
FD和GD分别代表冰的冻结方向和木材的生长方向
学分:高级科学，doi: 10
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202000096 大自然经常为仿生人造材料提供有希望的灵感
在《高级科学》杂志上发表的一份新报告中，王发恒和一组中国先进材料、工程和科学领域的科学家开发了基于单向多孔结构的新型水泥材料，以复制天然木材的设计
所得到的木质水泥材料在相同密度下显示出更高的强度，同时具有有效隔热、透水性和易于调节斥水性的多功能特性
该团队同时实现了高强度和多功能性，使仿木水泥成为一种有前途的新型建筑材料，用于高性能仿木设计
他们提出了一个简单的制造程序，以提高大规模生产过程中的效率，并适用于其他材料系统
开发生物仿木材料 多孔水泥基材料具有较低的隔热导热系数、较高的吸声效率、优异的空气和水渗透性，同时保持轻质和耐火性
然而，同时提高机械性能和多功能性能，包括机械支撑、有效运输和良好的绝热性，仍然是一个关键的挑战
因此，非常希望产生具有增强的机械和多功能性能的材料，以积极地实施天然木材的设计原则
在实验过程中，王等人
通过双向冷冻处理方法形成的具有单向多孔结构的开发的木质水泥
这一过程使得结构的各个组成部分之间形成桥梁，然后研究小组将完全冻结的尸体解冻，直到冰逐渐融化，水泥变硬
随后的水合过程在水泥中产生了新的矿物质和凝胶，包括六角形氢氧化钙、针状钙矾石和硅酸钙水合物凝胶
这些相主要起源于水泥片层，并在融化和固化过程中生长成它们的间距，以在多孔水泥形成过程中增强片层互连，从而获得更好的结构完整性
利用x光断层扫描(XRT)，研究小组随后揭示了冰模板水泥中单向微孔的形成
仿木水泥的微观结构特征
a)由水灰比为1的泥浆生产的冰模板水泥的横截面扫描电镜图像
三
水泥薄片之间相互连接的扫描电镜图像
b)如黄色箭头所示，在冻结过程中形成的桥和交叉点，以及c)氢氧化钙和d)钙矾石的水合反应的矿物产物
e)冰模板水泥中不同类型互连和孔隙的示意图
圆圈表示用等效单元法表示强度的单元A和L
f)初始水泥浆料中含水灰比的水泥的总孔隙率、开口孔隙率和层间孔隙率的变化
面板(f)中的数据是从每组样本的至少三次测量中获得的，并以平均标准偏差的形式呈现
学分:高级科学，doi: 10
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202000096 理解微观结构 王等
使用扫描电子显微镜(SEM)图像揭示了冰模板水泥中薄片之间的单向孔隙，该孔隙包含大量桥接薄片的互连
研究小组将这种相互联系分为三种类型:(1)在冰冻过程中，由于水泥颗粒被冰晶吞没而形成的桥和交叉点，(2)六角形氢氧化钙，(3)针状钙矾石
后者是水泥在解冻和养护过程中发生水化反应的产物
水泥薄片含有大量的孔隙，这些孔隙是在水泥干燥过程中由于凝胶脱水和脱水而形成的
科学家将木质水泥中的孔隙分为三种类型，包括(1)层间开放孔隙，(2)层内开放孔隙和(3)层内封闭孔隙
层间孔隙率主要由水含量决定，水含量起到成孔剂的作用
仿木水泥的力学性能
a，b)由不同水灰比的泥浆制成的木质水泥的代表性压应力-应变曲线
c，d)失效应变的变化，d)能量吸收密度，使用应力-应变曲线下的面积表示，直到峰值应力，以及比强度(插图(d))作为总孔隙率的函数
为了清楚起见，一般变化趋势用虚线表示
e)抗压强度对木质水泥相对密度的依赖性
f)通过考虑不同类型的孔隙，根据等效元素法解释强度
面板(c)–(f)中的数据是从每组样本的至少三次测量中获得的，并以平均标准偏差的形式呈现
学分:高级科学，doi: 10
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202000096 仿木水泥的多功能特性
a)木质水泥在横向剖面上的导热系数随标称密度的变化
4‐C表示由水灰比为0的泥浆制成的水泥
4但没有冰模板处理
随机开孔多孔水泥材料的数据也用于对比
[35，36] b)由水灰比为0的不同泥浆制成的水泥的红外图像
4, 0
9, 1
6和2
4置于100℃的加热板上
c)沿垂直方向的透水系数与木质水泥中总孔隙率的相关性
插图中说明了用于透水性测量的设置
d)图像和示意图显示了防水处理前后水泥的透水性和排斥性，以及由于亲水性和疏水性而导致的内表面的毛细吸引和排斥效应
面板(a)和(c)中的数据是从每组样本的至少三次测量中获得的，并以平均标准偏差的形式呈现
为清晰起见，一般变化趋势用虚线表示
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202000096 材料的机械和多功能特性 研究小组获得了木质水泥的代表性压缩应力-应变曲线，其中添加或不添加硅粉
抗压强度随着用于开发材料的泥浆中水/水泥比的增加而单调下降，最终导致水泥孔隙率的增加
由于材料的破坏应变随着总孔隙率的增加而增加，多孔固体的强度可以由其孔隙率决定
接下来，研究小组测量了冰模板木质水泥的导热系数，结果显示导热系数随着材料孔隙率的增加而降低
他们还使用红外图像来清晰地观察冰模板水泥材料的坚固隔热性能
为了调节绝热效率，王等人
通过增加水/水泥含量来调节水泥浆料中的固体含量
所得的水泥材料由于其内表面的亲水(吸水)特性而吸水
相比之下，它们可以通过用有机硅试剂对表面进行防水处理来防止水渗透到孔隙中；这种对疏水性的努力甚至可能导致材料漂浮在水面上
因此，该方法可以促进可转换的应用，如适合作为建筑材料的透水或防水结构
仿木水泥与天然木材和其他多孔水泥材料的比较
[3-8，31，43，53，59-61] a)各种多孔水泥基材料的抗压强度和密度，显示出当前木质水泥在相同密度下相对较高的强度
拉丁美洲和加勒比:轻骨料含量；OPC:普通硅酸盐水泥；PF:聚丙烯纤维；PC:硅酸盐水泥；CSA:混凝土污泥骨料；信噪比:砂与水泥的重量比
b)关于天然木材和木质水泥的设计策略的示意图，以优化其与单向多孔结构相关的机械和多功能性能
面板(a)中当前木质水泥的强度和密度数据以平均标准偏差的形式呈现
学分:高级科学，doi: 10
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202000096 木质水泥材料展望 通过这种方式，王发恒和他的同事提出了一种冰模板技术，作为一种可行的方法来创建单向微孔，应用于陶瓷、聚合物、金属及其复合材料
科学家们开发了一种冷冻干燥处理工艺，该工艺基于水泥与水化反应接触时的自硬化行为
由此产生的木质水泥结构包含各种开放或封闭形式的孔隙以及大量桥接其薄片的互连
当孔隙率增加时，水泥的强度降低
仿木水泥还具有较低的导热系数和良好的透水性
该团队可以通过疏水或亲水处理，分别将水泥材料转换成斥水或吸水材料
简单实用的材料开发策略，加上其成分的自硬化特性，可以显著提高冰模板技术的时间和成本效益，从而形成可持续的混凝土，并有可能将该方法推广到其他材料系统
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