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中国青年报客户端讯(通讯员 杨凡 中青报·中青网记者 王磊 王海涵)材料是人类文明发展的物质基础。航空航天等高技术领域对工程结构材料性能的提升不断提出新的需求,研制全面超越工程塑料、陶瓷和金属材料等传统结构材料的新型轻质高强材料,对相关领域的实际应用具有重要的战略意义。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队成功研制了一类天然纳米纤维素高性能结构材料(以下简称:CNFP)。CNFP具有优异的综合性能,密度仅为钢的六分之一,铝合金的一半,而比强度、比韧性均超过传统合金材料、陶瓷和工程塑料,这种新型全生物质仿生结构材料有望替代现有的工程塑料,具有广泛应用前景。相关研究成果近日发表在《科学进展(Science Advances)》期刊上。

图片说明:纤维素纳米纤维结构材料(CNFP)的制备过程、结构示意图、样品照片和可加工性能展示。(A)通过微生物合成可在常温常压下低成本大规模纤维素纳米纤维水凝胶;(B)水凝胶及其三维纳米纤维网络结构如图所示。(C)通过水凝胶层层组装与压缩制备CNFP。(D) CNFP样品示意图;(E) CNFP所具有的多层结构。(F) CNFP单层结构由大量纳米纤维形成的网络构成;(G) CNFP中每根纳米纤维由高度取向的纤维素分子组装构成;(H-I) CNFP样品及加工出的零件照片。

研究人员发现,CNFP的轻质高强韧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。

CNFP还具有极高的尺度稳定性和抗热冲击性能。在-120°C到150°C的温度范围内,其热膨胀系数极低,即使温度改变100°C,其尺寸变化也在万分之五内,远优于航空合金材料和工程塑料。另外,在120°C和-196°C之间进行反复剧烈热冲击循环测试下,该力学性能与尺寸依然高度稳定。

此外,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。

据介绍,该材料集成了轻质高强韧、高尺寸稳定性、抗热震、抗冲击、高损伤容限等多种优异性能,综合性能突出,将在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等应用领域将具有广阔的应用前景。 

来源:中国青年报客户端

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