中国科大研发新型纳米纤维素高性能仿生结构材料 有望替代工程塑料

5月6日，记者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。


航空航天等领域对工程结构材料不断提出新需求，研制全面超越工程塑料、陶瓷和金属材料等传统结构材料的新型轻质高强材料，对相关领域的实际应用具有重要的战略意义。

研究人员发现，CNFP的轻质高强韧主要来自材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可以提供极高的强度，纤维之间通过大量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可以迅速解离和重构，吸收大量能量，使材料在具有高强度的同时实现高韧性，克服了传统结构材料难以兼具高强度与高韧性的问题。


CNFP还具有极高的尺度稳定性和抗热冲击性能。在-120°C到150°C的温度范围内，其热膨胀系数极低，即使温度改变100°C，其尺寸变化也在万分之五内，远优于航空合金材料和工程塑料。另外，在120°C和-196°C之间进行反复剧烈热冲击循环测试下，该力学性能与尺寸依然高度稳定。


此外，CNFP还具有极高的抗冲击性能、高损伤容限以及高能量吸收性能。


据介绍，该材料集成了轻质高强韧、高尺寸稳定性、抗热震、抗冲击、高损伤容限等多种优异性能，综合性能突出，将在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等应用领域将具有广阔的应用前景。


研究发现，这种材料的轻质高强韧特性主要来自材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可以提供极高的强度，纤维之间通过大量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可以迅速解离和重构，吸收大量能量，使材料在具有高强度的同时实现高韧性，克服了传统结构材料难以兼具高强度与高韧性的问题。此外，这种材料热膨胀系数极低，即使温度波动100℃，其尺寸变化也在万分之五内，远优于航空合金材料和工程塑料，仅为航空铝合金的五分之一，工程塑料的几十分之一，与陶瓷接近。另外，在120℃和-196℃之间进行反复剧烈热冲击循环测试下，其力学性能与尺寸依然高度稳定。在相当于一辆高速行驶的汽车的高速冲击下，该材料表现出超高抗压强度，有望作为合金的替代品。


这种可持续新型天然纳米纤维仿生结构材料，集成了轻质高强韧、高尺寸稳定性、抗热震、抗冲击、高损伤容限等优异性能，在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等领域具有广阔的应用前景。