木材主要由纤维素、半纤维素和木质素构成的天然多孔复合材料,是唯一的可再生建筑材料。作为一种古老的工程材料,尽管木材具有吸声隔音、调湿隔热等优异的性能,且表现出低密度和高强度的显著组合,但木材的绝对强度不足却限制其继续被广泛地应用。因此,对木材进行改性,提升其力学性能具有重大意义。仿生矿化提供了一种实现具有显著力学性能的无机-有机杂化方法,在有机基质上沉积无机成分可以提升多种力学性能。基于现有的研究,在本论文中提出脲酶仿生矿化诱导木材原位生成碳酸钙的方法,提升了天然木材的力学性能。全文主要由以下内容构成:第一章,介绍该课题的研究背景、研究意义和研究内容。介绍木材以及近年来木材增强的研究进展,阐述仿生矿化方法增强木材的优势,并将微生物矿化转化为脲酶诱导仿生矿化原位生成碳酸钙的方法。第二章,碳酸钙棒状单晶嵌入木材的合成、表征以及力学性能研究。在木材内负载脲酶,运用脲酶水解尿素提供碳源,再通过溶液扩散将钙离子引入,利用多步矿化过程促进晶体增长,诱导木材细胞内壁原位生成碳酸钙棒状单晶。通过SEM对木材内的碳酸钙晶体进行形貌表征并对多步矿化过程进行动力学研究以及机理分析。通过称重得到每轮矿化后的矿物含量以及矿化木材的表观密度。利用XRD、POM、Raman对碳酸钙进行晶体学结构表征,结果表明木材内的碳酸钙为方解石单晶。测试矿化木材的三点弯曲强度、硬度以及木材三个方向的抗压强度等多项力学性能,力学性能与天然木材对比均有显著提高。进一步探究脲酶浓度和矿化轮数对力学性能的影响,得到脲酶的最佳浓度为2 mg/mL,最佳矿化轮数为7轮。第三章,纳米颗粒状碳酸钙薄膜的合成、表征以及力学性能研究。在第二章方法的基础上加入了一层不溶性高分子基底,通过水不溶性高分子壳聚糖和水溶性聚电解质PAA的协同作用,在木材细胞内壁生成了纳米颗粒状碳酸钙薄膜。通过SEM对碳酸钙薄膜进行形貌表征并对多步矿化过程进行动力学研究以及机理分析。测试矿化木材的三点弯曲强度,将天然木材的抗弯强度提升了49%,进一步探究聚电解质浓度和矿化轮数对力学性能的影响,得到聚电解质的最佳浓度为1.0 × 10-3 wt%,最佳矿化轮数为7轮。第四章,总结本论文的研究内容,提出了本研究的研究意义、存在的问题以及对未来的展望。总的来讲,本论文提供了一种绿色环保的矿化手段来增强天然木材,提升了天然木材综合利用率和使用价值,该方法原材料易得且绿色环保,且适用于其他多孔固体材料增强,具有一定的普适性。