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近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊發展了一種新型納米纖維仿生結構材料的製造方法，成功研製了一類天然納米纖維素高性能結構材料。這種新型仿生結構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。它的密度僅為鋼的六分之一，而強度、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，具有廣泛的應用前景。相關研究成果於近日發表在
Science Advances（《科學進展》）雜誌上。
△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
研究人員發現，該材料之所以具有輕質高強韌的性能，主要歸功於材料微米級層狀結構和納米三維網絡結構的設計。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。這種材料還具有極高的尺度穩定性和抗熱衝擊性能。在零下120℃到150℃的溫度範圍內，其熱膨脹係數極低，即使溫度改變100℃，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，僅為航空鋁合金的五分之一、工程塑料的幾十分之一，與陶瓷接近。另外，在120℃和零下196℃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，該材料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。分離式霍普金森壓杆的超高速衝擊實驗結果表明，其在相當於一輛高速行駛的汽車的高速衝擊下，表現出超高抗壓強度。這主要是因為材料內在的三維納米纖維網絡在受到高速衝擊時發生滑移，納米纖維間的大量氫鍵發生迅速解離和重構，可將衝擊動能吸收並轉化為熱量。未來該材料有望成為合金的替代品。
△CNFP與多種工程材料熱膨脹係數和比強度、比衝擊韌性的Ashby圖
這種可持續新型天然納米纖維仿生結構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、精密儀器結構件等領域具有廣闊的應用前景。（總臺央視記者 李屹）