中科大俞书宏院士Science Advances：破局三大经典材料困境，首次成功研制新型纳米纤维素高性能仿生结构材料
俞书宏课题组
2020-05-04
1. 发展了一种新型纳米纤维仿生结构材料的制造方法，首次成功研制了新型纳米纤维素高性能仿生结构材料。2. 通过仿生层状结构设计、纳米纤维三维网络和基于纳米纤维构建的高密度可逆相互作用网络，实现了优异的综合性能。3. 集成了轻质高强韧、高尺寸稳定性、抗热震、抗冲击、高损伤容限等多种优异性能，新型纳米纤维素高性能仿生结构材料综合性能超越了传统合金材料、陶瓷和工程塑料，为轻量化抗冲击防护和缓冲材料、空间材料、精密仪器结构材料等应用领域提供了新的材料选择。材料是人类文明发展的物质基础。航空航天等高技术领域对工程结构材料性能的提升不断提出新的需求，研制全面超越工程塑料、陶瓷和金属材料等传统结构材料的新型轻质高强材料，对相关领域的实际应用具有重要的战略意义，在轻量化抗冲击防护和缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等应用领域将具有广阔的应用前景。近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队发展了一种新型纳米纤维仿生结构材料的制造方法，成功研制了一类天然纳米纤维素高性能结构材料（以下简称：CNFP）。CNFP具有优异的综合性能，密度仅为钢的六分之一，而比强度、比韧性均超过传统合金材料、陶瓷和工程塑料，这种新型全生物质仿生结构材料有望替代现有的工程塑料，具有广泛的应用前景。相关研究成果于5月1日以“Lightweight,tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materialswith low thermal expansion coefficient”为题发表在Science Advances杂志上（Science Advances 2020, 6, eaaz1114）。 图1.CNFP的制备过程、结构示意图、样品照片和可加工性能展示。这种新型CNFP仿生结构材料具有极高尺度稳定性，热膨胀系数低至5 ppm K-1，远优于传统合金材料和工程塑料，与陶瓷接近。该材料在剧烈热冲击条件下，力学性能与尺寸依然高度稳定。此外，CNFP还具有极高的抗冲击性能、高损伤容限以及能量吸收性能。 图2.CNFP与传统合金材料、陶瓷和工程塑料等多种工程材料的热膨胀系数和比强度、比冲击韧性Ashby图。研究结果表明，CNFP具有轻质高强韧的优异性能，其比强度和比冲击韧性分别达到了198 MPa/(Mg m-3)和67 kJ m-2/(Mgm-3)，均超越航空铝合金和钢，且其密度低至1.35 g cm-3，仅为钢的六分之一，铝合金的一半（图2）。对航天器来说，在轻质和减重方面要“克克计较”，每减重1kg，将带来约3万美元的经济效益，因此轻质高强韧的优异性能对航空航天应用至关重要。研究人员发现，这种CNFP的轻质高强韧主要来自材料微米级层状结构和纳米三维网络结构设计，纤维素纳米纤维内部高度结晶可以提供极高的强度，纤维之间通过大量氢键等可逆相互作用网络进行结合，在外力作用下这种高密度的可逆相互作用网络可以迅速解离和重构，吸收大量能量，使材料在具有高强度的同时实现高韧性，克服了传统结构材料难以兼具高强度与高韧性的问题（图3）。同时，纳米纤维三维网络结构有助于应力均匀分散，避免应力集中，微米级的层状结构设计能够有效抑制裂纹扩展并大大延长裂纹扩展路径，这种多尺度的结构设计是实现材料高性能的关键（图4）。 图3.CNFP的微米级层状结构和纳米三维网络结构表征。研究人员研究了CNFP在不同温度和剧烈热冲击下的性能稳定性（图5）。在-130°C到150°C的温度范围内，CNFP热膨胀系数低至5 ppm K-1，即温度改变100°C，尺寸变化在万分之五内，这远优于航空合金材料和工程塑料，仅为航空铝合金的五分之一，工程塑料的几十分之一，与陶瓷接近。低热膨胀系数是精密仪器支撑结构材料和航空航天等关键材料的核心参数，CNFP作为精密光学仪器支撑材料、特种航空航天材料具有极强的竞争力。另外，在120°C和-196°C之间进行反复剧烈热冲击循环测试下，CNFP力学性能与尺寸依然高度稳定。同时，CNFP由于纳米纤维的高结晶性和高化学稳定性，使其在极端条件下具有很好的服役能力，在空间材料领域具有很好的应用前景，例如，月球探测器需要承受月球表面的剧烈高低温交替、强辐射等极端环境，这对结构材料提出了非常高的服役稳定性要求，CNFP力学性能突出的同时，在极端环境下，长期服役性能优异，是月球探测器关键结构材料的理想选择。 图5. CNFP在不同温度和剧烈热冲击下的热学性能与力学性能表征。要点3：极高的抗冲击性能、高损伤容限以及高能量吸收性能。研究人员发现，CNFP还具有极高的抗冲击性能、高损伤容限以及高能量吸收性能（图6）。分离式霍普金森压杆的超高速冲击实验结果表明，CNFP在28 m s-1的高速冲击下（相当于一辆高速行驶的汽车），表现出1600MPa的超高抗压强度，在0.07 ms内就可吸收高达387.5 MJ m-3的冲击能量。这主要是由于CNFP内在的三维纳米纤维网络在受到高速冲击时发生滑移，纳米纤维间的大量氢键发生迅速的解离和重构，可将冲击动能吸收并转化为热量。落锤冲击实验结果表明，即使CNFP局部被击穿，其内在的三维纳米纤维网络依旧可以阻止裂纹向外扩展，并实现损伤局域化，避免了一处受损，全局崩溃的情况。这种性能使CNFP在受到局部损伤后依旧可以保持很高的力学强度，相比于传统材料具有更高的损伤容限。这种优异的抗损伤性能使其能在航天器的关键结构性部件上发挥重大的作用，可以有效避免少量局部损伤发展成为严重事故。CNFP的高抗冲击性能和能量吸收性能使其可以作为合金的替代品，用于空间着陆器缓冲支撑结构或高性能轻质抗冲击装甲。图6. CNFP的落锤冲击和分离式霍普金森压杆测试。CNFP是一类新型天然纳米纤维结构材料，集成了轻质高强韧、高尺寸稳定性、抗热震、抗冲击、高损伤容限等多种优异性能，综合性能突出。制备CNFP的原料来源广泛，能够实现低成本大规模制备，同时，CNFP还具有优异的可加工性能，可以通过数控机床直接加工为各种复杂结构零件。作为一类环保可持续的新型结构材料，CNFP的综合性能全面超越了传统工程塑料、陶瓷和金属材料，在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件、太空光学探测器支架材料、飞行器轻量化高性能结构材料、汽车轻量化材料等方面具有广阔的应用潜力。此外，CNFP作为一类新型天然纳米纤维结构材料且可实现低成本大规模生产，在高端轻量化建筑材料，环保家装材料领域有广泛的应用前景。人类所使用的结构材料常常被用来划分文明的阶段，比如石器时代、青铜时代等。如今，也许我们正在步入一个全新的纤维素时代。Q.-F.Guan, et al. Light weight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derivedbulk structural materials with low thermal expansion coefficient. Sci. Adv. 6, eaaz1114 (2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz1114https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114
