比骨骼和鋁合金還要堅硬！MIT團隊開發迄今最高比例的纖維素納米晶體複合材料
發布時間 :2022-03-02
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麻省理工學院的一個團隊設計了一種由 60-90% 纖維素納米晶體 (CNC) 制成的複合材料——這是迄今為止達到的最高比例。
用這種新複合材料出來的方便打印材料，如鋁材。
單個木質細胞壁由纖維素纖維構成，每根纖維内都有增強的 CNCs——有機聚合物鍊以近乎完美的晶體圖案排列。在納米尺度上，CNC 比 Kevlar 更堅固、更堅硬，如果它們可以大量加工成材料，它們将被證明是更堅固、更可持續的天然塑料。麻省理工學院的研究人員發現，基于纖維素的複合材料比某些類型的骨骼更堅固、更堅韌，并且比典型的鋁合金更堅硬。該材料具有類似于珍珠層的實體微觀結構，珍珠層是一些軟體動物的堅硬内殼襯裡。
該團隊開發了一種基于 CNC 的複合材料的配方，可以使用 3D 打印和傳統鑄造來生産。他們将複合材料打印并澆鑄成便士大小的薄膜，以測試其強度和硬度，并将複合材料加工成牙齒的形狀，以表明該材料有朝一日可用于制造更堅固的纖維素基牙科植入物，更堅韌，更可持續。機械工程教授 A. John Hart 說，通過在高負載下使用 CNC 制造複合材料，我們可以賦予聚合物基材料前所未有的機械性能。如果我們可以用天然纖維素代替一些石油基塑料，那對地球來說也可能更好。每年，超過 100 億噸的纖維素由植物的樹皮、木材或葉子合成。其中大部分用于制造紙張和紡織品，而其中一部分被加工成粉末，用于食品增稠劑和化妝品。近年來，科學家們探索了纖維素納米晶體的用途，可以通過酸水解從纖維素纖維中提取。這種異常堅固的晶體可以用作聚合物材料中的天然增強材料，但研究人員隻能将它們摻入少量的 CNC，因為它們往往會聚集在一起，并且隻能與聚合物分子微弱地結合。
Hart 和他的同事希望開發一種含有大量 CNC 的複合材料，它們可以塑造成堅固耐用的形狀。他們首先将合成聚合物溶液與市售的 CNC 粉末混合。該團隊确定了将溶液變成凝膠的 CNC 和聚合物的比例，其稠度既可以通過 3D 打印機的噴嘴送入，也可以倒入模具中進行澆注。然後，他們使用超聲波探頭分解凝膠中的任何纖維素團塊，使分散的纖維素更有可能與聚合物分子形成強鍵。一些凝膠通過 3D 打印機送入，其餘的則倒入模具中進行澆注。然後他們讓打印的樣品幹燥。在随後的幹燥過程中，材料收縮，留下主要由纖維素納米晶體組成的固體複合材料。有趣的是，當研究小組在顯微鏡下檢查複合材料的結構時，他們觀察到纖維素顆粒形成實體圖案，類似于珍珠層的結構。在珍珠層中，這種曲折的微觀結構阻止了裂縫直接穿過材料。對材料的抗裂紋性進行了測試，并且在多個尺度上，複合材料的纖維素顆粒排列防止了裂紋分裂材料。這種對塑性變形的抵抗力使複合材料在傳統塑料和金屬之間的邊界處具有硬度和剛度。
展望未來，該團隊正在尋找減少凝膠幹燥時收縮的方法。雖然在打印小物體時收縮不是什麼大問題，但随着複合材料幹燥，任何更大的物體都可能會彎曲或破裂。
