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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊發(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（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，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(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5月1日以“Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient”為題發(fā)表在Science Advances雜志上（Science Advances 2020, 6, eaaz1114）。論文的共同第一作者是合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士后管慶方，碩士生楊懷斌、韓子盟。

圖1. 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。(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(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。(F) CNFP單層結(jié)構(gòu)由大量納米纖維形成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；(G) CNFP中每根納米纖維由高度取向的纖維素分子組裝構(gòu)成；(H-I) CNFP樣品及加工出的零件照片。

這種新型CNFP仿生結(jié)構(gòu)材料具有極高尺度穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)低至5 ppm K^-1，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)合金材料和工程塑料，與陶瓷接近。該材料在劇烈熱沖擊條件下，力學(xué)性能與尺寸依然高度穩(wěn)定。此外，CNFP還具有極高的抗沖擊性能、高損傷容限以及能量吸收性能。

圖2. CNFP與多種工程材料熱膨脹系數(shù)和比強度、比沖擊韌性的Ashby圖。(A)熱膨脹系數(shù)和比強度Ashby圖，表明CNFP具有優(yōu)于傳統(tǒng)合金、工程塑料和陶瓷的比強度和熱膨脹系數(shù)。(B)熱膨脹系數(shù)和比沖擊韌性Ashby圖，表明CNFP具有優(yōu)于傳統(tǒng)合金、工程塑料和陶瓷的比韌性和熱膨脹系數(shù)。

研究結(jié)果表明，CNFP具有輕質(zhì)高強韌的優(yōu)異性能，其比強度和比沖擊韌性分別達(dá)到了198 MPa/(Mg m^-3)和67 kJ m^-2/(Mg m^-3)，均超越航空鋁合金和鋼，且其密度低至1.35 g cm^-3，僅為鋼的六分之一，鋁合金的一半（圖2）。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種CNFP的輕質(zhì)高強韌主要來自材料微米級層狀結(jié)構(gòu)和納米三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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度，纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網(wǎng)絡(luò)進行結(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(nèi)，CNFP熱膨脹系數(shù)低至（5 ppm K^-1），即溫度改變100°C，尺寸變化在萬分之五內(nèi)，這遠(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°C和-196°C之間進行反復(fù)劇烈熱沖擊循環(huán)測試下，CNFP力學(xué)性能與尺寸依然高度穩(wěn)定。同時，CNFP由于納米纖維的高結(jié)晶性和高化學(xué)穩(wěn)定性，使其在極端條件下具有很好的服役能力。

此外，CNFP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，CNFP在28 m s^-1的高速沖擊下（相當(dāng)于一輛高速行駛的汽車），表現(xiàn)出1600MPa的超高抗壓強度，在0.07 ms內(nèi)就可吸收高達(dá)387.5 MJ m^-3的沖擊能量。這主要是由于CNFP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)生迅速的解離和重構(gòu)，可將沖擊動能吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，有望使其可以作為合金的替代品。

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及緩沖材料、空間材料、精密儀器結(jié)構(gòu)件等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。 ?

這項研究受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國家科學(xué)中心等資助。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，科研部）

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