中科大俞書宏院士團隊:又輕、又強、又韌、又尺寸穩定的纖維素基結構材料

結構材料在人們的日常生活中扮演者不可或缺的作用,然而常見的金屬、陶瓷和聚合物基結構材料都有明顯的優勢和缺點。為瞭制備各方面性能都很優異的結構材料,研究人員通常采取的方法是將這三種基本材料進行復合來制備復合結構材料。不過,很多的研究結果顯示復合材料的每一項性能(如強度、密度、韌性和熱尺寸穩定性)很難超越其組成材料中的最高指標,所以多組分復合隻能算是一種折中的方法。因此,開發一種各種性能均很優異的廉價本體結構材料仍是行業內面臨的一大難題。

近日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊開發瞭一種以細菌纖維素凝膠為前驅體、通過熱壓粘合來批量化制備具有層狀結構的纖維素基結構材料(CNFP)的方法。結果顯示這種綠色環保的CNFP的密度僅為1.35 g cm-3,比彎曲強度和比沖擊韌性分別可以達到198 MPa/(Mg m-3)]和67 kJ m-2/(Mg m-3),而在-120~150℃的測試溫度范圍內,熱膨脹系數(CTE)僅為5 × 10-6 K-1作為結構材料使用的CNFP的每一個性能指標均接近甚至高於金屬、陶瓷和聚合物材料中的最高值,因此在Ashby相圖中呈現出第四類結構材料的特性。研究結果顯示CNFP優異的綜合性能來源於其內部的多級微納結構以及纖維素纖維之間強的氫鍵作用。在此基礎上,作者發現對纖維素凝膠進行預處理,使纖維之間的界面相互作用增強之後,CNFP的強度和韌性還可以進一步增強。這項研究以題為“Lightweight,tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materialswith low thermal expansion coefficient”的論文發表在《ScienceAdvances》期刊上。(後附原文鏈接)

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【圖文解析】

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圖1.CNFP的制備流程示意圖以及制備的結構材料外觀圖

CNFP的制備主要分為兩個步驟:首先,將葡糖醋桿菌產生細菌纖維素分散在水中制備得到CNF水凝膠片;然後將多層CNF水凝膠片堆積在一起,在80℃條件下經過1MPa和100 MPa的程序壓縮、粘合和除水後,即可得到各種尺寸的CNFP。從圖1的結構示意圖可以看出來,CNFP是由多層纖維素薄膜組合起來的,在這些纖維素薄膜內部有由纖維束纏結和氫鍵等物理作用構建的強相互作用,因此單獨的薄膜力學強度較高,但是組裝到一起後,這些薄膜之間的界面作用相對較弱。為瞭進一步提高CNFP的力學性能,在CNF為凝膠狀態時,作者分別用PVA、矽酸和PAA對CNF進行瞭處理,制備的CNFP分別命名為CNFP-1,CNFP-2和CNFP-3。

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圖2. 各種CNFP的力學性能測試;(A)CNFP、AL2O3、Al和PA的熱膨脹情況對比;(B)各種CNFP的沖擊強度和模量;(C)CNFP與其它常見聚合物材料沖擊韌性對比;(D)CNFP在不同溫度下的彎曲應力-應變曲線;(E)和(F)分別是CNFP和常見聚合物的耐熱性對比;(G)和(H)是CNFP的熱沖擊處理示意圖和熱沖擊處理前後彎曲應力-應變曲線對比

力學性能測試結果顯示CNFP具有優異的彎曲強度、模量和沖擊韌性,遠高於傳統的用於制備結構材料的聚合物經過矽酸或PAA處理後,CNF薄膜之間的氫鍵作用大幅度增強,CNFP的彎曲強度和模量還可以得到進一步,最大可以分別達到269 MPa合17GPa[圖2(B)]。同時,相對於傳統的聚合物材料,CNFP還具有優異的耐高、低溫性—在200℃環境中其形狀基本保持不變;經過溫差為316℃(-196℃~120℃)的熱沖擊處理後,其力學強度可以得到很好的保持。除瞭優異的力學性能,CNFP的熱尺寸穩定性遠高於金屬材料和聚合物材料,與陶瓷材料相當,在-120~150℃的溫度范圍內,CTE值僅為5× 10-6 K-1。而與陶瓷材料相比,CNFP具有很高的沖擊韌性,可以達到87.6± 4.3  kJ m−2

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圖3. CNFP、金屬、陶瓷和聚合物材料的比沖擊強度與熱尺寸穩定性(A)和比沖擊韌性與熱尺寸穩定性(B)Ashby相圖;(C)CNFP沖擊斷裂FEM模擬

作者繪制瞭CNFP、典型金屬、陶瓷和聚合物材料的Ashby相圖,結果如圖3所示。發現CNFP比沖擊強度-熱尺寸穩定性,比沖擊韌性-熱尺寸穩定性分佈區域在Ashby相圖中的位置比較獨特,呈現出區別於金屬、陶瓷和聚合物基結構材料的力學特性。而研究發現,CNFP內部的多級微納結構以及強氫鍵作用是CNFP具有優異強度、韌性和尺寸穩定性的原因。在受到外界應力後,在微米尺度上,CNFP內部纖維素薄膜之間先滑動,這種滑動可以大幅度分散應力,避免瞭應力集中;在納米尺度上,纖維素薄膜之間的氫鍵作用被破壞,進一步分散瞭應力,防止瞭裂紋的產生和擴展;在分子尺度上,CNF分子鏈中含有豐富的羥基,當CNFPs發生變形時,CNF之間的滑動涉及到大量氫鍵的形成、斷裂和重組。作者最後對CNFP進行瞭SHPB沖擊實驗,結果顯示在14,000 s-1的高壓縮應變速率條件下,CNFP的壓縮強度和能量吸收可以分別達到1600 MPa和387.5MJ m-3

【總結】

作者采用可再生細菌纖維素作為原材料,利用簡便和可大規模生產的方法制備瞭具有又輕、又強、又韌、又尺寸穩定特性的纖維素基結構材料,在未來的建築、交通、電子、化工、新能源和航天航空等諸多領域顯示除瞭巨大的應用潛力。

原文鏈接:

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

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