中國科大俞書宏團隊：解決強韌矛盾！新型納米復合纖維材料
2019-07-29 09:36:53
作者：本網整理 來源：中國科學技術大學
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近日，中國科學技術大學俞書宏教授研究團隊借鑒天然生物纖維的策略，成功研制了一種既強又韌的宏觀尺度纖維素基納米復合纖維材料。相關成果發表于《國家科學評論》（National Science Review 2019, DOI: 10.1093/nsr/nwz077）。
圖1. （a） 仿生宏觀纖維材料的制備流程圖；（b,c） 經溶液紡絲得到的濕態宏觀納米復合纖維單絲；（d） 經多級螺旋纏繞得到的螺旋結構濕態宏觀納米復合纖維。
研究人員以高強度細菌納米纖維素作為增強基元，以海藻酸鈉生物大分子作為有機物基質，將兩者的復合水溶液進行溶液紡絲，得到拉伸強度初步提升的單取向結構宏觀納米復合纖維（圖1a-c）。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強度為190 MPa，而所得納米復合纖維的拉伸強度提高至420 MPa。隨后，他們通過多級螺旋纏繞結構設計，得到了具有類似生物纖維結構特征的宏觀人工纖維材料（圖1d，圖2a-c），其拉伸強度繼續提升25%，斷裂延伸率和韌性則分別同步提升近50%和100%，最終拉伸強度、斷裂延伸率和韌性分別可達535 MPa、16%和45 MJ m-3（圖2d-f）。
圖2. （a-c） 仿生宏觀纖維材料的形貌結構表征，可見細菌納米纖維素被海藻酸鈉基質均勻包裹，且纖維整體呈現出類似天然生物纖維的多級螺旋纏繞結構；（d-f） 仿生宏觀纖維材料的拉伸力學性能表征，可見通過仿生設計使其拉伸強度、斷裂延伸率和韌性均得到顯著提升。
該研究有效解決了人工材料中強度和韌性之間難以調和的矛盾，所獲得的最高拉伸強度可以和高性能纖維素基天然植物纖維相媲美，可達到的最高斷裂延伸率超過了幾乎所有纖維素基天然植物纖維和人工合成的纖維素基宏觀纖維材料，再加上其突出的韌性。這種仿生纖維結構設計策略有望應用于其他復雜等級結構材料的設計和制備。
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