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，成功研制出一类天然纳米纤维素高性能结构材料。相关研究成果近日发表于《科学进展》。
研究结果表明，这种新型材料具有轻质高强韧的优异性能，其性能超越航空铝合金和钢，且其密度仅为钢的六分之一、铝合金的一半。研究人员发现，该材料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。
这种材料还具有极高的尺度稳定性和抗热冲击性能。在-120℃到150℃的温度范围内，其热膨胀系数极低，即使温度改变100℃，其尺寸变化也在万分之五以内。另外，在120℃和-196℃之间进行反复剧烈热冲击循环测试下，该力学性能与尺寸依然高度稳定。
此外，该材料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。分离式霍普金森压杆的超高速冲击实验结果表明，该材料在相当于一辆高速行驶的汽车的高速冲击下，表现出超高抗压强度，这主要是因为材料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。该材料有望成为合金的替代品。
据悉，该材料在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等应用领域具有广阔的应用前景。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz1114
