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MIT利用树木中的纤维素开发强化材料 像骨骼和铝合金一样硬/而且有韧性

汽车出行  2022-04-12 09:420

盖世汽车讯 据外媒报道,麻省理工学院(MIT)的研究人员,利用在树木中发现的纤维素纳米晶体(CNC),开发了一种既有韧性又坚固的新材料。

MIT利用树木中的纤维素开发强化材料 像骨骼和铝合金一样硬/而且有韧性

(图片来源:麻省理工学院)

研究人员Abhinav Rao表示,大多数制造的材料可能有韧性,或者很坚固,但是两者往往不能兼而有之。在MIT攻读博士学位期间,Rao帮助创造了这种新材料。

这种材料的主要成分来自树木。所有植物的细胞壁中都含有微小的牙签状晶体,这种纤维素纳米晶体能够赋予植物结构和强度,但是非常微小,其宽度仅为一根头发的1/500。工程师们通过加工木材,去除其他物质,以得到纤维素纳米晶体。人们将纤维素纳米晶体用于制造电子零件,或者医疗设备等。日本某团队甚至用含有纤维素纳米晶体的材料制造了一辆汽车。然而,在此之前,这些纳米晶体在新材料中所占的份额非常小,其余往往是塑料。因为纳米晶体易于结块,其细小的牙签形状消失后,韧性和强度也随之消失了。

为了增加可以放在一起而不会结块的小牙签晶体的数量,Rao的团队发明了一种新凝胶,其起始状态为含有一些塑料和纤维素纳米晶体的液体。Rao解释说,“这个时候,纤维素位于底部。”接下来,研究人员利用超声波振动液体,搅动纳米晶体。等一切完全混合,液体会“结成凝胶,并停止移动。”这个过程很快,仅需几秒钟。

这种凝胶比果冻更硬,把杯子倒过来,也不会倒出来。通过3D打印机或成型机,对凝胶施加足够的压力,可使其形成新的形状。为了进行测试,该团队利用这种凝胶设计了一种牙齿状物体。将这颗凝胶状牙齿置于高温下,其会硬化成固体,同时材料收缩了许多,最终变得像某些骨头一样坚硬。

研究人员表示,这种全有机材料的硬度可与铝合金相媲美,厘米级断裂韧性与木材细胞壁相当。在63 wt% CNCs下,该复合材料的硬度为0.66 GPa,断裂韧性为5.2 MPa m\(^{1/2}\)。这些特性源自新材料的结构,因为每个坚硬的纤维素纳米晶体或一小群晶体周围,都包裹着少量较软的塑料。所以,即或有裂缝,也不能贯穿整个材料,而是蜿蜒前进,通常都不会太长,从而使材料保持坚固。

按重量计算,新材料中纤维素纳米晶体的含量高达60%以上,其余是塑料。Rao表示,除了强度、韧性或耐久性,这些纤维素纳米晶体源自树木,比塑料或其他大多数合成材料更加环保。

《全球汽车前瞻技术情报双周刊》

本文来源:盖世汽车资讯

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