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比骨骼和铝合金还要坚硬！MIT团队开发迄今最高比例的纤维素纳米晶体复合材料

文章来源：贤集网更新时间：2022-02-28 16:16:57

麻省理工学院的一个团队设计了一种由 60-90% 纤维素纳米晶体 (CNC) 制成的复合材料——这是迄今为止达到的最高比例。

用这种新复合材料出来的方便打印材料，如铝材。

单个木质细胞壁由纤维素纤维构成，每根纤维内都有增强的 CNCs——有机聚合物链以近乎完美的晶体图案排列。在纳米尺度上，CNC 比 Kevlar 更坚固、更坚硬，如果它们可以大量加工成材料，它们将被证明是更坚固、更可持续的天然塑料。

麻省理工学院的研究人员发现，基于纤维素的复合材料比某些类型的骨骼更坚固、更坚韧，并且比典型的铝合金更坚硬。该材料具有类似于珍珠层的实体微观结构，珍珠层是一些软体动物的坚硬内壳衬里。

该团队开发了一种基于 CNC 的复合材料的配方，可以使用 3D 打印和传统铸造来生产。他们将复合材料打印并浇铸成便士大小的薄膜，以测试其强度和硬度，并将复合材料加工成牙齿的形状，以表明该材料有朝一日可用于制造更坚固的纤维素基牙科植入物，更坚韧，更可持续。

机械工程教授 A. John Hart 说，通过在高负载下使用 CNC 制造复合材料，我们可以赋予聚合物基材料前所未有的机械性能。如果我们可以用天然纤维素代替一些石油基塑料，那对地球来说也可能更好。

每年，超过 100 亿吨的纤维素由植物的树皮、木材或叶子合成。其中大部分用于制造纸张和纺织品，而其中一部分被加工成粉末，用于食品增稠剂和化妆品。

近年来，科学家们探索了纤维素纳米晶体的用途，可以通过酸水解从纤维素纤维中提取。这种异常坚固的晶体可以用作聚合物材料中的天然增强材料，但研究人员只能将它们掺入少量的 CNC，因为它们往往会聚集在一起，并且只能与聚合物分子微弱地结合。

Hart 和他的同事希望开发一种含有大量 CNC 的复合材料，它们可以塑造成坚固耐用的形状。他们首先将合成聚合物溶液与市售的 CNC 粉末混合。该团队确定了将溶液变成凝胶的 CNC 和聚合物的比例，其稠度既可以通过 3D 打印机的喷嘴送入，也可以倒入模具中进行浇注。然后，他们使用超声波探头分解凝胶中的任何纤维素团块，使分散的纤维素更有可能与聚合物分子形成强键。

一些凝胶通过 3D 打印机送入，其余的则倒入模具中进行浇注。然后他们让打印的样品干燥。在随后的干燥过程中，材料收缩，留下主要由纤维素纳米晶体组成的固体复合材料。

有趣的是，当研究小组在显微镜下检查复合材料的结构时，他们观察到纤维素颗粒形成实体图案，类似于珍珠层的结构。在珍珠层中，这种曲折的微观结构阻止了裂缝直接穿过材料。

对材料的抗裂纹性进行了测试，并且在多个尺度上，复合材料的纤维素颗粒排列防止了裂纹分裂材料。这种对塑性变形的抵抗力使复合材料在传统塑料和金属之间的边界处具有硬度和刚度。

展望未来，该团队正在寻找减少凝胶干燥时收缩的方法。虽然在打印小物体时收缩不是什么大问题，但随着复合材料干燥，任何更大的物体都可能会弯曲或破裂。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_506227.html
来源：贤集网
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