中國科大俞書宏院士團隊《Nat. Commun.》:研製出一種可替代塑料的仿生可持續結構材料

2021-02-28 高分子科技

此外,結構材料的熱性能,尤其是在使用條件下的高溫或多變溫度下的應用至關重要。由於不良的熱性能(例如不良的熱穩定性和高溫下的軟化),塑料的應用受到了限制。然而,純天然的仿生結構材料具有超過工程塑料的熱性能,這可以歸因於CNF的高結晶度,TiO2-Mica的良好熱穩定性以及表面化學改性的帶來的強相互作用,使其成為塑料的高性能替代品。這種可持續結構材料在-130℃至150℃的溫度範圍內,尺寸幾乎沒有變化,與塑料的劇烈收縮和膨脹形成鮮明對比。在室溫下,該材料熱膨脹係數(CTE)約為7×10-6 K-1,僅為大多數塑料的十分之一(圖二)。在實際應用中,材料的熱脹冷縮會導致熱應力,該應力通常會導致結構故障,因此,低熱膨脹係數是在使用條件下在可變溫度下長期使用結構材料的重要保障。

這種全天然結構材料的機械性能在溫度變化時也幾乎保持不變。它的儲能模量可以保持在20 GPa左右,並且在25℃至200℃的溫度範圍內幾乎保持穩定,這比塑料的儲能模量更高且更穩定。此外,它的熱擴散係數也高於大多數工程塑料,因此有利於散熱,從而進一步確保了實際應用的可靠性。作為一種新興的結構材料,這種全天然仿生結構材料比塑料更安全,更可靠,從而使其在高溫或可變溫度下能夠替代塑料而成為一種可持續,輕便,高性能的塑料替代品。

該工作得到了國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金等資助。三維重構表徵於中國科學技術大學微納研究與製造中心完成。

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