中國科大研制出輕質高強韌納米纖維素仿生結構材料

材料是人類文明發(fā)展的物質基礎。航空航天等高技術領域對工程結構材料性能的提升不斷提出新的需求，研制全面超越工程塑料、陶瓷和金屬材料等傳統(tǒng)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(zhàn)略意義。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊成功研制了一類天然納米纖維素高性能結構材料（以下簡稱：CNFP）。CNFP具有優(yōu)異的綜合性能，密度僅為鋼的六分之一，鋁合金的一半，而比強度、比韌性均超過傳統(tǒng)合金材料、陶瓷和工程塑料，這種新型全生物質仿生結構材料有望替代現(xiàn)有的工程塑料，具有廣泛應用前景。相關研究成果近日發(fā)表在《科學進展（Science Advances）》期刊上。

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圖片說明：纖維素納米纖維結構材料（CNFP）的制備過程、結構示意圖、樣品照片和可加工性能展示。(A)通過微生物合成可在常溫常壓下低成本大規(guī)模纖維素納米纖維水凝膠；(B)水凝膠及其三維納米纖維網(wǎng)絡結構如圖所示。(C)通過水凝膠層層組裝與壓縮制備CNFP。(D) CNFP樣品示意圖；(E) CNFP所具有的多層結構。(F) CNFP單層結構由大量納米纖維形成的網(wǎng)絡構成；(G) CNFP中每根納米纖維由高度取向的纖維素分子組裝構成；(H-I) CNFP樣品及加工出的零件照片。

研究人員發(fā)現(xiàn)，CNFP的輕質高強韌主要來自材料微米級層狀結構和納米三維網(wǎng)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(wǎng)絡進行結合，在外力作用下，這種高密度的可逆相互作用網(wǎng)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(xiàn)高韌性，克服了傳統(tǒng)結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題。

CNFP還具有極高的尺度穩(wěn)定性和抗熱沖擊性能。在-120°C到150°C的溫度范圍內，其熱膨脹系數(shù)極低，即使溫度改變100°C，其尺寸變化也在萬分之五內，遠優(yōu)于航空合金材料和工程塑料。另外，在120°C和-196°C之間進行反復劇烈熱沖擊循環(huán)測試下，該力學性能與尺寸依然高度穩(wěn)定。