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中科大研制仿生纳米纤维复材

  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,解决了人工材料中强度和韧性之间难以调和的矛盾。

   基于生物质来源的高性能纳米复合材料正逐渐成为未来结构和功能应用的理想材料,然而所制纤维素基宏观纤维材料的强度和韧性之间的矛盾尚未得到解决。反观自然界,许多植物纤维和动物纤维都有效规避了强、韧之间的矛盾,实现了高强度和高韧性的完美组合。

  研究揭示,这些典型的生物结构材料具有一些共性:都是天然的纳米复合材料,由高度取向的高强度纳米纤维单元包裹在较柔软的有机物基质中构成,并具有高度有序的多级螺旋缠绕结构。

  基于此,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。单纯海藻酸钠宏观纤维的拉伸强度为190MPa,而所得纳米复合纤维的拉伸强度提高至420MPa。

   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,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%。

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