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我国科大新式纳米纤维素高功能仿生结构资料研发获重要开展

发布日期:2022-06-24 05:12:49 来源:od体育app官网下载

  资料是人类文明开展的物质基础。航空航天等高技术范畴对工程结构资料功能的提高不断提出新的需求,研发全面逾越工程塑料、陶瓷和金属资料等传统结构资料的新式轻质高强资料,对相关范畴的实践使用具有重要的战略意义,在轻量化抗冲击防护和缓冲资料、空间资料、精密仪器结构件等使用范畴将具有宽广的使用远景。

  近来,我国科学技术大学俞书宏院士团队开展了一种新式纳米纤维仿生结构资料的制作办法,成功研发了一类天然纳米纤维素高功能结构资料(以下简称:CNFP)。CNFP具有优异的归纳功能,密度仅为钢的六分之一,而比强度、比耐性均逾越传统合金资料、陶瓷和工程塑料,这种新式全生物质仿生结构资料有望代替现有的工程塑料,具有广泛的使用远景。相关研讨成果于5月1日以“Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient”为题宣布在Science Advances杂志上(Science Advances2020, 6, eaaz1114)。论文的一起榜首作者是合肥微标准物质科学国家研讨中心博士后管庆方,硕士生杨怀斌、韩子盟。

  图1.纤维素纳米纤维结构资料(CNFP)的制备进程、结构示意图、样品相片和可加工功能展现。(A)经过微生物组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)经过水凝胶层层拼装与紧缩制备CNFP。(D) CNFP样品示意图;(E) CNFP所具有的多层结构。(F) CNFP单层结构由很多纳米纤维构成的网络构成;(G) CNFP中每根纳米纤维由高度取向的纤维素分子拼装构成;(H-I) CNFP样品及加工出的零件相片。

  这种新式CNFP仿生结构资料具有极高标准安稳性,热膨胀系数低至5 ppm K-1,远优于传统合金资料和工程塑料,与陶瓷挨近。该资料在剧烈热冲击条件下,力学功能与标准仍然高度安稳。此外,CNFP还具有极高的抗冲击功能、高损害容限以及能量吸收功能。

  图2. CNFP与多种工程资料热膨胀系数和比强度、比冲击耐性的Ashby图。(A)热膨胀系数和比强度Ashby图,标明CNFP具有优于传统合金、工程塑料和陶瓷的比强度和热膨胀系数。(B)热膨胀系数和比冲击耐性Ashby图,标明CNFP具有优于传统合金、工程塑料和陶瓷的比耐性和热膨胀系数。

  研讨结果标明,CNFP具有轻质高强韧的优异功能,其比强度和比冲击耐性别离达到了198 MPa/(Mg m-3)和67 kJ m-2/(Mg m-3),均逾越航空铝合金和钢,且其密度低至1.35 g cm-3,仅为钢的六分之一,铝合金的一半(图2)。研讨人员发现,这种CNFP的轻质高强韧首要来自资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能够供给极高的强度,纤维之间经过很多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能够敏捷解离和重构,吸收很多能量,使资料在具有高强度的一起完成高耐性,克服了传统结构资料难以兼具高强度与高耐性的问题。

  CNFP还具有极高的标准安稳性和抗热冲击功能。在-120°C到150°C的温度范围内,CNFP热膨胀系数低至(5 ppm K-1),即温度改动100°C,标准改变在万分之五内,这远优于航空合金资料和工程塑料,仅为航空铝合金的五分之一,工程塑料的几十分之一,与陶瓷挨近。别的,在120°C和-196°C之间进行重复剧烈热冲击循环测验下,CNFP力学功能与标准仍然高度安稳。一起,CNFP因为纳米纤维的高结晶性和高化学安稳性,使其在极点条件下具有很好的执役才能。

  此外,CNFP还具有极高的抗冲击功能、高损害容限以及高能量吸收功能。分离式霍普金森压杆的超高速冲击试验结果标明,CNFP在28 m s-1的高速冲击下(相当于一辆高速行驶的轿车),表现出1600MPa的超高抗压强度,在0.07 ms内就可吸收高达387.5 MJ m-3的冲击能量。这首要是因为CNFP内涵的三维纳米纤维网络在遭到高速冲击时产生滑移,纳米纤维间的很多氢键产生敏捷的解离和重构,可将冲击动能吸收并转化为热量,有望使其能够作为合金的代替品。

  这种可继续新式天然纳米纤维仿生结构资料集成了轻质高强韧、高标准安稳性、抗热震、抗冲击、高损害容限等多种优异功能,归纳功能杰出,将在轻量化抗冲击防护及缓冲资料、空间资料、精密仪器结构件等使用范畴将具有宽广的使用远景。

  该项研讨遭到国家自然科学基金委立异研讨集体、国家自然科学基金要点项目、我国科学院前沿科学要点研讨项目、我国科学院纳米科学杰出立异中心、合肥归纳性国家科学中心等赞助。

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