中国科大研发轻质高强韧纳米纤维素仿生结构材料

材料是人类文明发展的物质基础。航空航天等高技术领域不断对工程结构材料的性能提出新的要求。开发全面超越工程塑料、陶瓷、金属材料等传统结构材料的新型轻质高强度材料，对于相关领域的实际应用具有重要的战略意义，在轻质冲击防护和缓冲材料、空间材料、精密仪器结构等应用领域具有广阔的应用前景。

最近，中国科技大学于书鸿院士团队开发了纳米纤维仿生结构材料的新制造方法，并成功开发了一类天然纳米纤维素高性能结构材料。该材料综合性能优异，密度仅为钢的1/6，比强度和比韧性高于传统合金材料、陶瓷和工程塑料。这种新型全生物质仿生结构材料有望取代现有的工程塑料，具有广阔的应用前景。相关的研究结果最近发表在《科学进步》杂志上。

研究结果表明，这种新材料具有轻质、高强、高韧的优良性能。其性能优于航空铝合金和钢，密度仅为钢的1/6和铝合金的一半。研究人员发现，材料的轻质、高强度和高韧性主要来源于材料的微米级层状结构和纳米三维网络结构的设计。纤维素纳米纤维内部的高结晶度可以提供极高的强度。纤维通过大量可逆的相互作用网络如氢键结合在一起。在外力作用下，高密度可逆相互作用网络可以快速解离和重构，吸收大量能量，使材料在具有高强度的同时达到高韧性，克服了传统结构材料难以同时具有高强度和高韧性的问题。

该材料还具有极高的尺寸稳定性和抗热震性。在-120℃至150℃的温度范围内，其热膨胀系数极低。即使温度变化100℃，它的尺寸变化也在5/10000以内，这远远好于航空合金材料和工程塑料，只有1/5的航空铝合金，和十分之几的工程塑料，接近陶瓷。此外，在120℃和-196℃之间重复的严重热冲击循环试验下，机械性能和尺寸仍然非常稳定

此外，该材料还具有极高的抗冲击性能、高损伤容限和高能量吸收性能。分离式霍普金森压杆的超高速冲击试验结果表明，它在高速冲击下表现出相当于高速车辆的超高抗压强度。这主要是由于在高速冲击下材料内部的三维纳米纤维网络的滑移，纳米纤维之间大量氢键的快速解离和重建，以及冲击动能向热量的吸收和转化。预计三维纳米纤维网络可用作合金替代品。

这种可持续的新型天然纳米纤维仿生结构材料综合了轻质、高韧性、高尺寸稳定性、抗热震性、抗冲击性、高损伤容限性等多种优异性能，综合性能优异，在轻质、抗冲击、缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等应用领域具有广阔的应用前景。

相关论文信息:https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114