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坚韧的新型生物启发材料替代石油基塑料

时间：2022-05-22 12:25:04 来源：

根据不同的市售原材料（例如TiO2-云母，Fe2O3-云母），可以制造各种颜色不同的全天然生物启发性结构材料。

尽管以石油为基础的生产带来了严重的环境挑战，但现代生活仍然紧密依赖于塑料。由于其有限的机械性能或复杂的制造工艺，该行业选择使用可持续材料。迫切需要设计和生产高性能可持续结构材料的先进策略。

一种新的受生物启发的材料将取代石油基塑料。中国科学技术大学（USTC）的俞树宏教授领导的一个小组报告了一种方法，该方法可以用木材衍生的纤维和云母制造与珍珠母结构相似的材料，并适合大规模生产，良好的可加工性，和可调的着色。

此p显示了以此生物启发材料制成的手机外壳原型。由于其良好的加工性能，该材料可以制成所需的形状和尺寸，显示出在实际应用中替代塑料的巨大潜力，例如，高端个人电子设备的结构支撑。

天然珍珠母具有像砖和砂浆一样的多尺度层次结构，使其既具有强度又具有韧性。受珍珠层启发，研究人员通过提出的定向变形组装方法，使用TiO2涂覆的云母微片（TiO2-云母）和纤维素纳米纤维（CNF）模仿了有序的砖瓦结构。

该方法直接压制TiO2-云母和CNF的水凝胶，同时保持面内方向尺寸不变。水凝胶的厚度显着减小，材料直接以高度有序的实体结构构造。

在纳米尺度上，TiO2-云母表面上的TiO2纳米晶粒通过在TiO2-云母拉出过程中的摩擦滑动而导致有效的能量消散。多尺度级别上的所有分层结构均有助于负载重新分配和增强韧性。

因为所提出的制造方法，即定向变形组装，是有效且可扩展的，所以可以实现全天然生物启发性结构材料的批量生产。

所获得的材料具有出色的强度（〜281 MPa）和韧性（〜11.5 MPa m1 / 2），是高性能工程塑料（例如聚酰胺，芳族聚碳酸酯）的2倍以上，使其坚固石油基塑料的竞争对手。

更好的是，这些材料适应于-130 C至250° C的温度范°围，而普通塑料在高温下很容易变软。因此，这种材料在高温或可变温度下更安全，更可靠。

结果发表在《自然通讯》上。

参考：关庆芳，杨怀斌，韩子孟，凌章池和余树宏于2010年11月3日发表于Nature Communications的“一种用于塑料替代的全天然生物启发性结构材料”。DOI：
10.1038 / s41467-020-19174-1

这种高度有序的实体结构的仿生设计提供了制造可替代塑料的可持续结构材料的关键思想。由于这种材料对环境友好，具有比塑料更好的机械和热性能，因此有望在塑料替代中发挥关键作用。

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