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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊發(fā)展了一種新型納米纖維仿生結(jié)構(gòu)材料的制造方法，成功研制了一類天然納米纖維素高性能結(jié)構(gòu)材料。這種新型仿生結(jié)構(gòu)材料集成了輕質(zhì)高強(qiáng)韌、高尺寸穩(wěn)定性、抗熱震、抗沖擊、高損傷容限等多種優(yōu)異性能，綜合性能突出。它的密度僅為鋼的六分之一，而強(qiáng)度、比韌性均超過傳統(tǒng)合金材料、陶瓷和工程塑料。這種新型全生物質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)材料有望替代現(xiàn)有的工程塑料，具有廣泛的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在
Science Advances（《科學(xué)進(jìn)展》）雜志上。
△纖維素納米纖維結(jié)構(gòu)材料（CNFP）的制備過程、結(jié)構(gòu)示意圖、樣品照片和可加工性能展示
研究人員發(fā)現(xiàn)，該材料之所以具有輕質(zhì)高強(qiáng)韌的性能，主要歸功于材料微米級層狀結(jié)構(gòu)和納米三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。纖維素納米纖維內(nèi)部高度結(jié)晶可以提供極高的強(qiáng)度，纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網(wǎng)絡(luò)可以迅速解離和重構(gòu)，吸收大量能量，使材料在具有高強(qiáng)度的同時實現(xiàn)高韌性，克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以兼具高強(qiáng)度與高韌性的問題。這種材料還具有極高的尺度穩(wěn)定性和抗熱沖擊性能。在零下120℃到150℃的溫度范圍內(nèi)，其熱膨脹系數(shù)極低，即使溫度改變100℃，其尺寸變化也在萬分之五內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于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(jìn)行反復(fù)劇烈熱沖擊循環(huán)測試下，該力學(xué)性能與尺寸依然高度穩(wěn)定。此外，該材料還具有極高的抗沖擊性能、高損傷容限以及高能量吸收性能。分離式霍普金森壓桿的超高速沖擊實驗結(jié)果表明，其在相當(dāng)于一輛高速行駛的汽車的高速沖擊下，表現(xiàn)出超高抗壓強(qiáng)度。這主要是因為材料內(nèi)在的三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)在受到高速沖擊時發(fā)生滑移，納米纖維間的大量氫鍵發(fā)生迅速解離和重構(gòu)，可將沖擊動能吸收并轉(zhuǎn)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系數(shù)和比強(qiáng)度、比沖擊韌性的Ashby圖
這種可持續(xù)新型天然納米纖維仿生結(jié)構(gòu)材料集成了輕質(zhì)高強(qiáng)韌、高尺寸穩(wěn)定性、抗熱震、抗沖擊、高損傷容限等多種優(yōu)異性能，綜合性能突出，將在輕量化抗沖擊防護(hù)及緩沖材料、空間材料、精密儀器結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。（總臺央視記者 李屹）