实现碳中和需要兼具高性能与低环境影响的材料。碳纤维和玻璃纤维等传统增强材料的生产过程能耗较高、碳排放强度较大；天然竹纤维具有较高的本征强度，但受限于其非均质细胞壁中低效的载荷传递，这是竹材高效利用面临的重要挑战。

  近日，卢芸教授团队提出纳米纤维素介导的竹材细胞壁超分子增强策略，成功制备出具有GPa级拉伸强度的高性能竹单板。该策略通过纤维素纳米晶体（CNC）渗入与界面重构，提高细胞壁内的载荷传递效率，在实现竹材强度、刚度与韧性协同提升的同时，展现出显著的低碳优势。

  2026年11月3日，相关研究成果以“Scalable Gigapascal Strength Bamboo Veneers via Nanocellulose Reinforcement”为题发表在《Advanced Materials》上。北京理工大学卢芸教授为独立通讯作者。中国林业科学研究院木工所付宗营副研究员及2025级博士研究生高新琦为共同第一作者。

  研究团队以天然毛竹旋切单板为基底，通过选择性脱除半纤维素开放细胞壁纳米孔隙，再经CNC浸渍与热压致密化，促进CNC与原生纤维素间的界面结合，构筑连续的载荷传递网络。该方法保留了竹材天然连续纤维骨架，可实现长度达2 m的柔性高强竹单板制备。同时，增强竹单板可通过树脂浸渍与多角度层合组坯，加工成不同结构形式的复合材料，该材料具备工业规模连续制备能力，在风电叶片、低空经济、体育装备、交通运输等场景具有广阔应用潜力。

图一 纳米纤维素增强竹单板的构筑及规模化制备

  CNC的引入促进了细胞壁内部结构的重新组织与界面连通。化学预处理在细胞壁中形成10–50 nm的介孔，为CNC渗入提供通道；后续致密化则促进孔隙压缩及纤维素间界面结合。增强后细胞壁的氢键结合环境发生改变，结晶度由56.3%提升至73.8%。材料在基本保留原有纤维素取向特征的同时，纳米尺度散射分布由各向异性向相对各向同性转变，特征结构间距由17.6 nm增至49.5 nm。

图二 细胞壁结构重构与超分子纳米增强机制

  纳米增强显著提升了竹单板的力学性能，其最高纵向拉伸强度达到980.7 MPa，杨氏模量达到52.7 GPa，分别为天然竹单板的10.56倍和3.76倍，比拉伸强度达到1486.3 MPa·cm³·g^-1。增强后细胞壁局部模量提高约3.6倍，且刚度分布更加均匀。与此同时，材料仍保持良好的柔韧性，可围绕直径4 mm的圆柱弯曲而不断裂，并实现180°折叠。

图三 纳米增强竹单板的高强度与柔韧性

  以增强竹单板为连续增强基材，通过多角度铺层与树脂复合，研究团队制备了准各向同性竹基层合复合材料（CBRP）。其拉伸强度达到201 MPa，弯曲强度和模量分别达到387.2 MPa和24.0 GPa，兼具较高的比强度与结构刚度。材料还表现出良好的三维成型能力和冲击阻尼性能，在马拉松运动跑鞋应用测试中，最大变形约24 mm，其性能比肩T700碳板跑鞋，展示了其在轻量化结构件中的应用潜力。

图四 竹单板层合复合材料的结构性能与应用展示

  成本分析表明，纳米增强竹单板的制备成本约为1303美元/m³，低于所选碳纤维和玻璃纤维对照材料，其中CNC的成本贡献不足4%。生命周期评价显示，其碳足迹较碳纤维低约两个数量级，全球变暖潜势为2164 kg CO₂ eq/m³，较碳纤维和玻璃纤维分别降低约97.9%和65.4%，并在多项环境影响指标中表现出优势。进一步制备的竹基层合复合材料在多数环境影响类别中仍具有较低的环境负荷，体现了天然连续纤维增强材料兼顾力学性能、经济性与环境效益的潜力。

图五 纳米增强竹材料的成本与生命周期环境影响评价

  该研究通过纳米纤维素介导的细胞壁界面重构，实现了竹材强度、刚度与韧性的协同提升，并将纳米尺度增强效应转化为宏观结构性能。该策略兼具规模化制造潜力与显著的低碳优势，为高性能竹基复合材料发展及部分传统合成纤维增强材料的可持续替代开辟了新路径。

  原文链接 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.75630