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中國科大俞書宏團隊：解決強韌矛盾！新型納米復(fù)合纖維材料

2019-07-29 09:36:53 作者：本網(wǎng)整理來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 分享至：

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(fù)合纖維材料。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)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(jīng)溶液紡絲得到的濕態(tài)宏觀納米復(fù)合纖維單絲；（d）經(jīng)多級螺旋纏繞得到的螺旋結(jié)構(gòu)濕態(tài)宏觀納米復(fù)合纖維。

研究人員以高強度細(xì)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(zhì)，將兩者的復(fù)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(jié)構(gòu)宏觀納米復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計，得到了具有類似生物纖維結(jié)構(gòu)特征的宏觀人工纖維材料（圖1d，圖2a-c），其拉伸強度繼續(xù)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(jié)構(gòu)表征，可見細(xì)菌納米纖維素被海藻酸鈉基質(zhì)均勻包裹，且纖維整體呈現(xiàn)出類似天然生物纖維的多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)；（d-f）仿生宏觀纖維材料的拉伸力學(xué)性能表征，可見通過仿生設(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計策略有望應(yīng)用于其他復(fù)雜等級結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和制備。

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