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中科大研制出轻质高强韧纳米纤维素仿生结构材料

发表时间:2020/5/25

自人类文明诞生以来,材料就一直是推动社会发展与进步的物质基础。在现存所有材料中,金属、陶瓷和聚合物等结构材料使用最广泛。近年来,研制具有互斥性(如强度和韧性互斥)的高性能材料,尤其是基于纳米尺度的建筑材料,吸引了越来越多的关注。



近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队成功研制了一种纳米纤维素高性能仿生结构材料(CNFP)。这种材料具有优异的综合性能,它的密度仅为钢的六分之一,比强度、比韧性均超过传统合金材料、陶瓷和工程塑料。



由于纤维素来源广泛,是世界上最丰富的天然有机物之一,棉、麻、秸秆、稻草、甘蔗渣等,都可以提供纤维素,因此,广泛的生物来源奠定了这种材料的可持续基础。



这项研究成果于5月1日以“Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient”为题发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上(Science Advances 2020, 6, eaaz1114)。



研究发现,CNFP的轻质高强韧特性主要来自材料微米级层状结构和纳米三维网络结构设计。纤维素纳米纤维内部高度结晶可以提供极高的强度,纤维之间通过大量氢键等可逆相互作用网络进行结合,在外力作用下这种高密度的可逆相互作用网络可以迅速解离和重构,吸收大量能量,使材料在具有高强度的同时实现高韧性,克服了传统结构材料难以兼具高强度与高韧性的问题。



它的尺度稳定性和抗热冲击性表现为:在-120°C到150°C的温度范围内,热膨胀系数低至5 × 10-6 K-1。也就是说,即使温度波动达到100℃,其尺寸变化也在万分之五内,仅为航空铝合金的五分之一,工程塑料的几十分之一,与陶瓷接近。而且在120℃和-196℃之间进行反复剧烈热冲击循环测试下,其力学性能与尺寸依然高度稳定。




同时,CNFP还具有极高的抗冲击性能、高损伤容限以及高能量吸收性能,有望使其可以作为合金的替代品。分离式霍普金森压杆的超高速冲击实验结果表明,它在28 m · s-1的高速冲击下(速度相当于一辆高速行驶的汽车),表现出1600MPa的超高抗压强度,在0.07 ms内就可吸收高达387.5 MJ · m-3的冲击能量。这主要是由于它内在的三维纳米纤维网络在受到高速冲击时发生滑移,纳米纤维间的大量氢键发生迅速的解离和重构,可将冲击动能吸收并转化为热量。



由此可见,这种可持续新型天然纳米纤维仿生结构材料,集成了包括轻质高强韧、高尺寸稳定性、抗热震、抗冲击、高损伤容限等各项优异性能,预计它在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等领域将拥有广阔的应用前景。


原文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114


(来源:纺织导报官微)