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中国科大研制出新型仿生增强增韧纳米复合纤维材料

www.hb-fence.com2019-08-17
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基于生物质源的高性能纳米复合材料正在发展成为未来结构和功能应用的理想材料。通过植物组织分离或细菌发酵获得的纳米级纤维素具有储存丰富,密度低,热稳定性好,机械性能优异,可降解,可再生和可持续的特点,受到广泛关注。科学家们希望用它来开发宏观的高性能纤维素基纤维材料,但目前生产的纤维素基纤维材料的强度和韧性之间的矛盾尚未得到解决。高强度采集通常以其断裂伸长率和韧性为代价。低韧性和脆性断裂严重限制了这种材料在高级织物和其他领域的实际应用。

在自然界中,许多植物纤维(例如大麻纤维,棉纤维等)和动物纤维(例如头发,丝绸等)有效地避免了强度和韧性之间的矛盾,实现了高强度和高韧性的组合。研究表明,这些典型的生物结构材料具有一些共性:它们是由高度取向的高强度纳米纤维单元组成的天然纳米复合材料,包裹在较软的有机基质中并且具有高度有序性。舞台螺旋缠绕结构。

最近,中国科学技术大学教授于淑红开发出一种宏观规模的纤维素基纳米复合纤维材料,既坚固又坚韧,采用天然生物纤维策略。

研究人员使用高强度细菌纳米纤维素作为增强元素,海藻酸钠生物大分子作为有机基质溶液旋转两种水溶液,以获得单向取向的宏观纳米复合纤维,其拉伸强度最初得到改善。 (图1a-c)。纯海藻酸钠大纤维的拉伸强度为190MPa,所得纳米复合纤维的拉伸强度增加至420MPa。通过多级螺旋缠绕结构设计,研究得到了具有相似生物纤维结构特征的宏观人造纤维材料(图1d,图2a-c),抗拉强度继续提高25%,断裂伸长率和韧性是同步的。增加近50%和100%,最终拉伸强度,断裂伸长率和韧性分别达到535 MPa,16%和45 MJm-3(图2d-f)。

本研究解决了人造材料强度与韧性之间的矛盾。获得的最高拉伸强度与高性能纤维素基天然植物纤维相当,并且可以在大多数纤维上实现最高的断裂伸长率。它是一种天然植物纤维和合成纤维素基宏观纤维材料,具有出色的韧性。这种仿生纤维结构设计策略有望应用于其他复杂等级结构材料的设计和制备。

相关结果在《国家科学评论》在线发表,其中Bioinspired分级纳米复合纤维基于细菌纤维素纳米纤维。论文的第一作者是副研究员高慧玲和研究生赵然。

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图1.(a)仿生大纤维材料的制备流程图; (b,c)通过溶液纺丝获得的湿宏观纳米复合纤维单丝; (d)通过多级螺旋缠绕纳米复合纤维获得的螺旋结构湿宏观状态

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图2.(ac)仿生粗纤维材料形态的表征。可以看出,细菌纳米纤维素被海藻酸钠基质均匀地包裹,并且纤维整体呈现出类似于天然生物纤维的多阶段螺旋缠绕结构; (df)仿生宏观纤维材料的拉伸力学性能表明,仿生设计可以显着提高拉伸强度,断裂伸长率和韧性。

中国科学技术大学

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