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美国马里兰大学胡良兵教授和李腾教授团队: 让木材像钢铁一样坚硬!
2018-02-08 来源:Nature、知社学术圈、新华网    点击次数:1311次    

  2月8日,Nature在线发表了美国马里兰大学胡良兵教授和李腾教授研究团队关于超级木头的最新发现。该研究团队发明了一种简单有效的方法可以把原生木材直接处理成为一种超强超韧的高性能结构材料。

  方法分为两步,首先去除木材中部分木质素,然后在100摄氏度的温度下进行压缩。通过简单的两步处理方式获得的超级木头的各项机械性能,包括拉压弯强度、韧性、刚度、硬度、抗冲击性能等, 都超出原生木材10倍以上。其拉伸强度达到587 MPa,可以和钢材媲美;而比拉伸强度高达451 MPa cm^3/g,超过几乎所有的金属和合金材料,甚至包括钛合金(244MPa cm^3/g)。马里兰大学的研究成果显示,超级木头100%源自原生木材,无任何添加物,加工方法适用于各类木材,而且在潮湿环境下性能稳定。其机械性能超凡出众,而且具有环保特质和可再生性, 展示出超级木头作为未来结构材料之星的巨大潜力。

图1. 木材处理工艺及力学性能

图2. 天然木材和密实化木材结构表征

图3. 超凡出众的机械性能

图4.冲击强力试验

  对于这一令人兴奋的结果,马里兰大学机械工程系李腾教授解释说:“实现超级木头高强度高韧性的本质源自我们发明的这种木材处理方法的巧妙设计。经过第一步部分去除原生木材中的木质素,使得我们在第二步的热压过程后实现木材的完全致密化。经过处理得到的超级木头最大限度的消除了原生木材中存在于多尺度的本征缺陷, 因而决定了超级木头的高强度;同时完全致密化有效促进了木材中的纤维素纳米纤维的有序排列程度和紧密度,从而极大程度地增加了纤维素纳米纤维之间的氢键密度,导致在超级木头断裂过程中耗散大量的能量,因而实现高韧性。”

  对于这一研究成果的未来前景和应用,马里兰大学材料科学系胡良兵教授展望说:“人类在过去近万年里在建筑、家具以及其他结构材料应用中对木材的使用, 远远没有充分利用到木材中纤维素的优异机械性能。我们这项研究展示了超级木头在未来结构材料领域的巨大应用前景。超级木头有潜力在建筑、交通、航空航天领域里取代金属和聚合物,成为未来节能环保型高性能结构材料之星。”

  论文链接:https://www.nature.com/articles/nature25476.epdf?author_access_token=wBYrmr1mu5-UmXOjwbfX_tRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0PCy5i9Q4zwaBEuUCd3sS81zw4_Q2EDEQ5KBeOh2_tzfs5oN4gchx0OtPARnsbu7kEEnmLGzAs0anOwJ4P_4VGA

  Nature在同一期里还邀请了德国马普所的Peter Fratzl院士对这项成果进行了深度评论:https://www.nature.com/magazine-assets/d41586-018-01371-0/d41586-018-01371-0.pdf

 
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