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华中科技大学李会巧教授和浙江农林大学孙庆丰教授课题组合作《ACS Nano》:开发了一种具有有序层状结构的大型超轻人工“木贝壳”
2020-02-22  来源:高分子科技

  随着现有结构材料达到其性能极限,21世纪的主要科学挑战之一是开发新的更强、更硬的轻质结构材料,以支持从建筑到交通或能源等各个战略领域的发展。珍珠贝以其优异的高强度和高断裂韧性吸引了材料学家的广泛关注,他们模仿天然珍珠贝独特的微观层次结构,制造出承载能力超强的人工复合材料。人工合成的珍珠贝具有与天然珍珠贝相似的结构,但是其高强度一部分来自于无机矿物的高承载能力,这样同时也导致了材料密度大。此外,用于合成珍珠贝的传统方法本身就很费力和耗时,这对于结构材料在大型工业中的应用是一个值得深思的问题。

  华中科技大学和浙江农林大学的研究人员联合开发了一种具有有序层状结构的大型超轻人工“木贝壳”。几毫米厚的人造木质贝壳模仿了天然珍珠层的分层结构,形成了一种复合材料,其强度几乎可以比拟天然栉江珧贝,而木贝壳中的无机含量仅占天然栉江珧贝无机含量的六分之一,因此更轻。

图1. 木贝壳无机含量与天然栉江珧贝对照

  在这项工作中,矿化的纳米木质纤维素作为增强的构件,通过冷冻铸造技术组装成多孔的层状基质,类似于天然的珍珠贝。在冷冻铸造工艺中,采用保温模具将冷源与料浆隔离。在冷却时,模具底部的温度低于顶部。通过适当调整冷却速率,可同时产生垂直和水平两个温度梯度。在这种情况下,浆料冰晶成核过程从模具的底部开始,以冻结梯度的方式从延伸到顶部,也就是说,冷冻铸造中冰晶“1d成核”和增长优先在两个方向:垂直于冷源方向和水平于模具方向。结果得到了一个大型的层状结构。然后,将相对较软的有机相作为“砂浆层”,最终使用热压将木质纤维素“砖层”转化为类树脂致密层压材料。

图2. 天然贝壳和人造木质贝壳测形成对照

  研究小组测试了这种木质珍珠层的机械性能。人造木贝壳的特殊强度和韧性甚至优于工程合金材料(如铜和铁)。在冲击和振动载荷的作用下,木贝壳可以吸收大量的能量,产生一定的变形而不造成破坏,这是传统木结构领域所必需的。而木贝壳良好的耐水性也满足了建筑材料的日常使用。此外,由于原始的木质纤维是从木材的采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物中获取的,因此成本可以比现有的结构材料(如合金、大理石、陶瓷等)低得多。其他建筑材料的在生产制造过程中需要使用较高的加工温度和大量的能源消耗。因此,结构材料的高性能往往是以对环境产生不利影响为代价的,而木质贝壳的制备热压温度只需100℃。

图3. (a)方解石、纯木纤维块和木贝壳纳米压痕图像;(b)木贝壳和不含有机“砂浆”的木质“砖层块”(c)落球冲击对照;(d)木贝壳与其他相关材料的断裂韧性对照;(e)木贝壳与其他相关材料的静曲强度和静曲模量对照;(f)木贝壳的防水性测试

  相关成果发表在ACS Nano(2020,DOI:10.1021/acsnano.9b08647)上,论文第一作者为浙江农林大学工程学院博士生陈逸鹏,通讯作者为华中科技大学李会巧教授和浙江农林大学孙庆丰教授

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