其比弯曲强度（386 MPa・cm³/g）优于钢、铝合金等传统材料，还具备优异的各向同性、热稳定性（200℃以下）和环境可持续性（碳足迹仅为铝合金的 17.4%），可应用于弹簧、轻质结构件等场景，为复杂承重结构提供了环保替代方案。相关研究以“Wood Hydroplasticization Toward Ultra-Strong and Self-Densified Complex Structures”为题，发表在《Advanced Materials》（IF 26.8）上。
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传统结构材料深陷环保与性能的两难：金属能耗高、塑料难降解，2023 年全球碳纤维增强聚合物消费量达 17.69 万吨，污染问题突出。木材作为天然生物基材料，却受限于低强度（天然椴木弯曲强度仅 70.9MPa）与差成型性。
现有木材改性技术依赖热压致密化，虽能提升强度却导致各向异性（垂直压缩方向强度 341MPa，法线方向仅 102MPa），且无法定制复杂形状，难以满足多方向承重需求。突破这一困局，成为生物基结构材料产业化的关键。
02
该研究提出的室温水塑化技术，无需机械热压，通过 “部分脱木素 - 纤维素交联 - 自致密化” 三步法，实现木材改性的三重突破（图 1）。
图1. 木材水塑化及自密实化为强韧可定制形状结构示意图。 a) 无需机械压缩的木材自密实过程示意图。b-d) 照片展示：(b) 天然木材在弯曲载荷下发生脆性断裂，(c) 柔软易折叠的水塑态木材，以及 (d) 加工成预设形状的自密实木材。e) 自密实木材、金属铝合金和塑料聚碳酸酯的性能对比雷达图，各项指标结果已按各自最大值归一化。
1. 工艺革新：室温成型，能耗锐减
以 NaOH/Na₂SO₃进行部分脱木素，保留 23.3% 木素作为粘结剂，再经纤维素 / NaOH / 尿素溶液真空渗透与水再生，60℃烘箱干燥即可完成自致密化，全程无需高温高压，能耗仅为传统热压工艺的 1/5。
2. 结构革新：各向同性强化
木材细胞在毛细管力与氢键作用下均匀收缩，体积收缩 70.2%，密度达 1.25g/cm³，形成多尺度交联网络，径向（432MPa）与切向（483MPa）弯曲强度趋于一致，解决传统压缩木的各向异性难题（图 2）。
图2. 自密实木材的微观结构演变。 a) 通过温和脱木素、凝胶化和空气干燥形成自密实木材的示意图。木材细胞从中空的管腔均匀收缩为致密的圆柱状结构。b-e) 木材细胞横截面变化的扫描电镜图像：(b) 原始木材，(c) 部分脱木素木材，(d) 水塑态木材，以及 (e) 自密实木材。f) 原始木材和自密实木材的实物照片，显示均匀且大幅的体积收缩。g) 天然木材与自密实木材的密度对比。h) 自密实木材中纤维素纤维的扫描电镜图像，显示高度定向的纤维排列。i) 天然木材与自密实木材的化学成分，表明大部分木质素和半纤维素得以保留。
3. 性能革新：动态成型与重复利用
借助氢键的动态可逆性，通过调控湿度即可实现 “软化 - 塑形 - 固化” 循环，可重复塑形 5 次以上，180° 弯折达 300 次才断裂，突破木材 “刚性易碎” 的固有认知。
图4. 利用水塑化和微观结构调控将自密实木材制造成各种复杂形状。 a-c) 具有 (a) 弯曲、(b) 打结和 (c) 其他复杂形状的自密实木材照片。d) 木材塑形涉及的机制示意图。e-g) (e) 天然木材和 (f,g) 水塑态木材折叠处的扫描电镜图像。h) 水塑态木材样品的耐折叠性测试。i) 用于木材重塑的动态氢键作用示意图。j) 木材通过反复“水塑形”获得所需形状的演示，展示了优异的水塑性、可回收性和可重复使用性。
03
1. 力学性能全面超越
弯曲强度 483.2MPa（天然木 6.8 倍），拉伸强度 489MPa，比弯曲强度 386MPa・cm³/g，远超铝合金（270MPa・cm³/g）与钛合金（142MPa・cm³/g）；
肖氏 D 硬度 85°，优于 PMMA，冲击韧性 7.2J/cm²，是天然木的 5.5 倍
图3. 自密实木材的力学性能及强化机制。 a) 天然木材与自密实木材的弯曲应力-应变曲线。b) 自密实木材与天然木材、机械压缩木材的弯曲强度对比。c) 自密实木材与塑料、金属及其他木质材料的比弯曲强度对比。d-g) 天然木材与自密实木材微观结构中细胞间层角落的示意图及对应扫描电镜图像。h,i) 分子动力学模拟研究强化机制：(h) 由木质素和半纤维素交联的天然木材，以及 (i) 由再生纤维素交联的自密实木材在不同变形阶段的状态。所选变形状态对应材料的初始阶段、屈服阶段和最终断裂点。j) 自密实木材的扫描电镜图像，显示木纤维与作为粘合剂的再生纤维素纳米纤维之间紧密的界面结合。k) 通过分子动力学模拟评估的天然木材与自密实木材的拉伸应力-应变曲线。l-n) (l) 天然木材、(m) 机械压缩木材和 (n) 自密实木材样品的微观结构示意图。o) 天然木材、机械压缩木材和自密实木材在径向和切向的弯曲强度。
2. 环境与稳定性优势
碳足迹仅为铝合金的 17.4%，全生命周期环境影响显著降低；
200℃以下热稳定，热膨胀系数 4.4×10⁻⁶K⁻¹，仅为聚碳酸酯的 1/15；
聚氨酯涂层后，90% RH 环境下 120h 仍保持 475.3MPa 弯曲强度。
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应用落地：从实验室到工业场景
该材料已制备成弹簧，1000 次循环压缩后刚度保留 94.3%，无残余应变，可替代钢笔钢制弹簧实现顺畅伸缩（图 5）。
图5. 自密实木材弹簧的力学性能及环境影响。 a) 不同尺寸木材弹簧的照片。b) 木材弹簧循环压缩测试照片。c) 木材弹簧在特定循环次数（第1次、第500次、第1000次）下的典型压缩载荷-位移曲线，显示出优异的弹性和回弹性。d) 木材弹簧刚度随循环次数的变化。e) 自密实木材作为笔用弹簧的潜在应用照片。f) 聚氨酯表面涂层处理的自密实木材在暴露于90%相对湿度前后的弯曲应力-应变曲线。g) 自密实木材与聚碳酸酯塑料在-30至200°C范围内储能模量的对比。h) 自密实木材与聚碳酸酯的热膨胀系数对比。i) 自密实木材与铝合金的环境影响对比，各环境影响类别已按最大值归一化。
未来潜在场景包括：轻量化建筑构件、汽车内饰骨架、体育器材核心部件等，尤其适配对环保性与结构强度均有要求的高端制造领域。
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行业启示与未来挑战
1. 技术启示
水塑化原理为生物基材料改性提供新范式，可推广至竹、秸秆等其他生物质；
动态氢键调控策略，为智能响应型生物基材料开发奠定基础。
2. 现存挑战
制备流程复杂，木材渗透性不足制约规模化生产；
湿度敏感性限制部分高要求场景应用，需开发生物基防护涂层。
结语
该技术以 “水” 为核心塑化剂，实现木材从 “天然材料” 到 “高性能结构材料” 的跨越，不仅打破传统结构材料的垄断，更为生物基材料的高值化利用提供了可落地的技术路径。随着工艺简化与规模化突破，生物基结构材料替代金属、塑料的时代或将加速到来。
