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我研制出輕質高強韌納米纖維素仿生結構材料

發布日期:2020-05-06      打印

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科技日報讯 (记者吴长锋 通讯员杨凡)记者日前从中国科学技术大学获悉,该校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,其密度仅为钢的六分之一,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,具有广泛的应用前景。相关研究成果发表在《科学进展》期刊上。

航空航天等領域對工程結構材料不斷提出新需求,研制全面超越工程塑料、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。

研究發現,這種材料的輕質高強韌特性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。此外,這種材料熱膨脹系數極低,即使溫度波動100℃,其尺寸變化也在萬分之五內,遠優于航空合金材料和工程塑料,僅爲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-196℃之間進行反複劇烈熱沖擊循環測試下,其力學性能與尺寸依然高度穩定。在相當于一輛高速行駛的汽車的高速沖擊下,該材料表現出超高抗壓強度,有望作爲合金的替代品。

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、抗沖擊、高損傷容限等優異性能,在輕量化抗沖擊防護及緩沖材料、空間材料、精密儀器結構件等領域具有廣闊的應用前景。

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