中国科大俞书宏团队：解决强韧矛盾！新型纳米复合纤维材料
2019-07-29 09:36:53
作者：本网整理 来源：中国科学技术大学
近日，中国科学技术大学俞书宏教授研究团队借鉴天然生物纤维的策略，成功研制了一种既强又韧的宏观尺度纤维素基纳米复合纤维材料。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review 2019, DOI: 10.1093/nsr/nwz077）。
图1. （a） 仿生宏观纤维材料的制备流程图；（b,c） 经溶液纺丝得到的湿态宏观纳米复合纤维单丝；（d） 经多级螺旋缠绕得到的螺旋结构湿态宏观纳米复合纤维。
研究人员以高强度细菌纳米纤维素作为增强基元，以海藻酸钠生物大分子作为有机物基质，将两者的复合水溶液进行溶液纺丝，得到拉伸强度初步提升的单取向结构宏观纳米复合纤维（图1a-c）。单纯海藻酸钠宏观纤维的拉伸强度为190 MPa，而所得纳米复合纤维的拉伸强度提高至420 MPa。随后，他们通过多级螺旋缠绕结构设计，得到了具有类似生物纤维结构特征的宏观人工纤维材料（图1d，图2a-c），其拉伸强度继续提升25%，断裂延伸率和韧性则分别同步提升近50%和100%，最终拉伸强度、断裂延伸率和韧性分别可达535 MPa、16%和45 MJ m-3（图2d-f）。
图2. （a-c） 仿生宏观纤维材料的形貌结构表征，可见细菌纳米纤维素被海藻酸钠基质均匀包裹，且纤维整体呈现出类似天然生物纤维的多级螺旋缠绕结构；（d-f） 仿生宏观纤维材料的拉伸力学性能表征，可见通过仿生设计使其拉伸强度、断裂延伸率和韧性均得到显着提升。
该研究有效解决了人工材料中强度和韧性之间难以调和的矛盾，所获得的最高拉伸强度可以和高性能纤维素基天然植物纤维相媲美，可达到的最高断裂延伸率超过了几乎所有纤维素基天然植物纤维和人工合成的纤维素基宏观纤维材料，再加上其突出的韧性。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。
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