中科大俞书宏院士团队:又轻、又强、又韧、又尺寸稳定的纤维素基结构材料

结构材料在人们的日常生活中扮演者不可或缺的作用,然而常见的金属、陶瓷和聚合物基结构材料都有明显的优势和缺点。为了制备各方面性能都很优异的结构材料,研究人员通常采取的方法是将这三种基本材料进行复合来制备复合结构材料。不过,很多的研究结果显示复合材料的每一项性能(如强度、密度、韧性和热尺寸稳定性)很难超越其组成材料中的最高指标,所以多组分复合只能算是一种折中的方法。因此,开发一种各种性能均很优异的廉价本体结构材料仍是行业内面临的一大难题。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队开发了一种以细菌纤维素凝胶为前驱体、通过热压粘合来批量化制备具有层状结构的纤维素基结构材料(CNFP)的方法。结果显示这种绿色环保的CNFP的密度仅为1.35 g cm-3,比弯曲强度和比冲击韧性分别可以达到198 MPa/(Mg m-3)]和67 kJ m-2/(Mg m-3),而在-120~150℃的测试温度范围内,热膨胀系数(CTE)仅为5 × 10-6 K-1作为结构材料使用的CNFP的每一个性能指标均接近甚至高于金属、陶瓷和聚合物材料中的最高值,因此在Ashby相图中呈现出第四类结构材料的特性。研究结果显示CNFP优异的综合性能来源于其内部的多级微纳结构以及纤维素纤维之间强的氢键作用。在此基础上,作者发现对纤维素凝胶进行预处理,使纤维之间的界面相互作用增强之后,CNFP的强度和韧性还可以进一步增强。这项研究以题为“Lightweight,tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materialswith low thermal expansion coefficient”的论文发表在《ScienceAdvances》期刊上。(后附原文链接)

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【图文解析】

中科大俞书宏院士团队:又轻、又强、又韧、又尺寸稳定的纤维素基结构材料
图1.CNFP的制备流程示意图以及制备的结构材料外观图

CNFP的制备主要分为两个步骤:首先,将葡糖醋杆菌产生细菌纤维素分散在水中制备得到CNF水凝胶片;然后将多层CNF水凝胶片堆积在一起,在80℃条件下经过1MPa和100 MPa的程序压缩、粘合和除水后,即可得到各种尺寸的CNFP。从图1的结构示意图可以看出来,CNFP是由多层纤维素薄膜组合起来的,在这些纤维素薄膜内部有由纤维束缠结和氢键等物理作用构建的强相互作用,因此单独的薄膜力学强度较高,但是组装到一起后,这些薄膜之间的界面作用相对较弱。为了进一步提高CNFP的力学性能,在CNF为凝胶状态时,作者分别用PVA、硅酸和PAA对CNF进行了处理,制备的CNFP分别命名为CNFP-1,CNFP-2和CNFP-3。

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图2. 各种CNFP的力学性能测试;(A)CNFP、AL2O3、Al和PA的热膨胀情况对比;(B)各种CNFP的冲击强度和模量;(C)CNFP与其它常见聚合物材料冲击韧性对比;(D)CNFP在不同温度下的弯曲应力-应变曲线;(E)和(F)分别是CNFP和常见聚合物的耐热性对比;(G)和(H)是CNFP的热冲击处理示意图和热冲击处理前后弯曲应力-应变曲线对比

力学性能测试结果显示CNFP具有优异的弯曲强度、模量和冲击韧性,远高于传统的用于制备结构材料的聚合物。经过硅酸或PAA处理后,CNF薄膜之间的氢键作用大幅度增强,CNFP的弯曲强度和模量还可以得到进一步,最大可以分别达到269 MPa合17GPa[图2(B)]。同时,相对于传统的聚合物材料,CNFP还具有优异的耐高、低温性—在200℃环境中其形状基本保持不变;经过温差为316℃(-196℃~120℃)的热冲击处理后,其力学强度可以得到很好的保持。除了优异的力学性能,CNFP的热尺寸稳定性远高于金属材料和聚合物材料,与陶瓷材料相当,在-120~150℃的温度范围内,CTE值仅为5× 10-6 K-1。而与陶瓷材料相比,CNFP具有很高的冲击韧性,可以达到87.6± 4.3  kJ m−2

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图3. CNFP、金属、陶瓷和聚合物材料的比冲击强度与热尺寸稳定性(A)和比冲击韧性与热尺寸稳定性(B)Ashby相图;(C)CNFP冲击断裂FEM模拟

作者绘制了CNFP、典型金属、陶瓷和聚合物材料的Ashby相图,结果如图3所示。发现CNFP比冲击强度-热尺寸稳定性,比冲击韧性-热尺寸稳定性分布区域在Ashby相图中的位置比较独特,呈现出区别于金属、陶瓷和聚合物基结构材料的力学特性。而研究发现,CNFP内部的多级微纳结构以及强氢键作用是CNFP具有优异强度、韧性和尺寸稳定性的原因。在受到外界应力后,在微米尺度上,CNFP内部纤维素薄膜之间先滑动,这种滑动可以大幅度分散应力,避免了应力集中;在纳米尺度上,纤维素薄膜之间的氢键作用被破坏,进一步分散了应力,防止了裂纹的产生和扩展;在分子尺度上,CNF分子链中含有丰富的羟基,当CNFPs发生变形时,CNF之间的滑动涉及到大量氢键的形成、断裂和重组。作者最后对CNFP进行了SHPB冲击实验,结果显示在14,000 s-1的高压缩应变速率条件下,CNFP的压缩强度和能量吸收可以分别达到1600 MPa和387.5MJ m-3

 

【总结】

作者采用可再生细菌纤维素作为原材料,利用简便和可大规模生产的方法制备了具有又轻、又强、又韧、又尺寸稳定特性的纤维素基结构材料,在未来的建筑、交通、电子、化工、新能源和航天航空等诸多领域显示除了巨大的应用潜力。

 

原文链接:

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

 

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