材料是人類文明發展的物質基礎。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，研製全面超越工程塑料、陶瓷和金屬材料等傳統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略意義，在輕量化抗衝擊防護和緩衝材料、空間材料、精密儀器結構件等應用領域將具有廣闊的應用前景。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊發展了一種新型納米纖維仿生結構材料的製造方法，成功研製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有的工程塑料，具有廣泛的應用前景。相關研究成果於近日以“Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient”為題發表在Science Advances雜誌上（Science Advances 2020, 6, eaaz1114）。論文的共同第一作者是合肥微尺度物質科學國家研究中心博士後管慶方，碩士生楊懷斌、韓子盟。
圖1. 纖維素納米纖維結構材料（CNFP）的製備過程、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模纖維素納米纖維水凝膠；(B) 水凝膠及其三維納米纖維網絡結構如圖所示。(C) 通過水凝膠層層組裝與壓縮製備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。
這種新型CNFP仿生結構材料具有極高尺度穩定性，熱膨脹係數低至5 ppm K-1，遠優於傳統合金材料和工程塑料，與陶瓷接近。該材料在劇烈熱衝擊條件下，力學性能與尺寸依然高度穩定。此外，CNFP還具有極高的抗衝擊性能、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係數和比強度、比衝擊韌性的Ashby圖。(A)熱膨脹係數和比強度Ashby圖，表明CNFP具有優於傳統合金、工程塑料和陶瓷的比強度和熱膨脹係數。(B)熱膨脹係數和比衝擊韌性Ashby圖，表明CNFP具有優於傳統合金、工程塑料和陶瓷的比韌性和熱膨脹係數。
研究結果表明，CNFP具有輕質高強韌的優異性能，其比強度和比衝擊韌性分別達到了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）。研究人員發現，這種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絡進行結合，在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網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高韌性，克服了傳統結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題。
圖3.CNFP優異的熱機械性能。(A) CNFP(平行於層)、聚酰胺(PA)、鋁合金(7075 Al)、Al2O3的熱膨脹。(B)不同類型CNFPs抗彎強度和剛度的比較。(C) CNFP-0的夏比衝擊韌性與其他廣泛應用的高分子材料的比較。(D)不同溫度下CNFP-0的彎曲應力-應變曲線。(E和F) CNFP-0與其他廣泛使用的聚合物基材料在(E) 30°C和(F) 200°C下的對比。(G) 10倍快速熱衝擊示意圖。(H) 10次快速熱衝擊前後CNFP-0的彎曲應力-應變曲線。甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯;PVC聚氯乙烯;ABS、丙烯腈、丁二烯、苯乙烯;PC, PC(聚碳酸酯)塑料製成的;PF,酚醛樹脂;POM聚甲醛;PP、聚丙烯。
CNFP還具有極高的尺度穩定性和抗熱衝擊性能。在-120°C到150°C的溫度範圍內，CNFP熱膨脹係數低至（5 ppm K-1），即溫度改變100°C，尺寸變化在萬分之五內，這遠優於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之間進行反覆劇烈熱衝擊循環測試下，CNFP力學性能與尺寸依然高度穩定。同時，CNFP由於納米纖維的高結晶性和高化學穩定性，使其在極端條件下具有很好的服役能力。
圖4.CNFP優異的韌性機理和耐衝擊性能。(A和B)層合結構和(B)整體塊的有限元模擬，用於SENB測試。(C) SENB試驗中不同界面的應力-應變曲線。(D)落錘衝擊試驗CNFP-0的力-位移曲線。(E)落錘衝擊試驗機原理圖。(F)落錘衝擊試驗後CNFP-0的照片。比例尺，1釐米。(G)小型屋宇規劃大綱。(H)不同應變速率下SHPB試驗CNFP-0的壓縮應力-應變曲線。
此外，CNFP還具有極高的抗衝擊性能、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衝擊實驗結果表明，CNFP在28 m s-1的高速衝擊下（相當於一輛高速行駛的汽車），表現出1600MPa的超高抗壓強度，在0.07 ms內就可吸收高達387.5 MJ m-3的衝擊能量。這主要是由於CNFP內在的三維納米纖維網絡在受到高速衝擊時發生滑移，納米纖維間的大量氫鍵發生迅速的解離和重構，可將衝擊動能吸收並轉化為熱量，有望使其可以作為合金的替代品。
這種可持續新型天然納米纖維仿生結構材料集成了輕質高強韌、高尺寸穩定性、抗熱震、抗衝擊、高損傷容限等多種優異性能，綜合性能突出，將在輕量化抗衝擊防護及緩衝材料、空間材料、精密儀器結構件等應用領域將具有廣闊的應用前景。
該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、合肥綜合性國家科學中心等資助。
來源 整理於中科大
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114
