中國科大研製出輕質高強韌納米纖維素仿生結構材料

2020-12-05 中國青年報

中國青年報客戶端訊（通訊員 楊凡 中青報·中青網記者 王磊 王海涵）材料是人類文明發展的物質基礎。航空航天等高技術領域對工程結構材料性能的提升不斷提出新的需求，研製全面超越工程塑料、陶瓷和金屬材料等傳統結構材料的新型輕質高強材料，對相關領域的實際應用具有重要的戰略意義。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊成功研製了一類天然納米纖維素高性能結構材料（以下簡稱：CNFP）。CNFP具有優異的綜合性能，密度僅為鋼的六分之一，鋁合金的一半，而比強度、比韌性均超過傳統合金材料、陶瓷和工程塑料，這種新型全生物質仿生結構材料有望替代現有的工程塑料，具有廣泛應用前景。相關研究成果近日發表在《科學進展（Science Advances）》期刊上。

圖片說明：纖維素納米纖維結構材料（CNFP）的製備過程、結構示意圖、樣品照片和可加工性能展示。(A)通過微生物合成可在常溫常壓下低成本大規模纖維素納米纖維水凝膠；(B)水凝膠及其三維納米纖維網絡結構如圖所示。(C)通過水凝膠層層組裝與壓縮製備CNFP。(D) CNFP樣品示意圖；(E) CNFP所具有的多層結構。(F) CNFP單層結構由大量納米纖維形成的網絡構成；(G) CNFP中每根納米纖維由高度取向的纖維素分子組裝構成；(H-I) CNFP樣品及加工出的零件照片。

研究人員發現，CNFP的輕質高強韌主要來自材料微米級層狀結構和納米三維網絡結構設計，纖維素納米纖維內部高度結晶可以提供極高的強度，纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網絡進行結合，在外力作用下，這種高密度的可逆相互作用網絡可以迅速解離和重構，吸收大量能量，使材料在具有高強度的同時實現高韌性，克服了傳統結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題。

CNFP還具有極高的尺度穩定性和抗熱衝擊性能。在-120°C到150°C的溫度範圍內，其熱膨脹係數極低，即使溫度改變100°C，其尺寸變化也在萬分之五內，遠優於航空合金材料和工程塑料。另外，在120°C和-196°C之間進行反覆劇烈熱衝擊循環測試下，該力學性能與尺寸依然高度穩定。

此外，CNFP還具有極高的抗衝擊性能、高損傷容限以及高能量吸收性能。

據介紹，該材料集成了輕質高強韌、高尺寸穩定性、抗熱震、抗衝擊、高損傷容限等多種優異性能，綜合性能突出，將在輕量化抗衝擊防護及緩衝材料、空間材料、精密儀器結構件等應用領域將具有廣闊的應用前景。　

來源：中國青年報客戶端

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