危险的材料(危险材料杂志)

钢铁是危险的！未来将被这种新材料所取代！

在过去的半个世纪里，塑料产品已经广泛应用于人类生活的各个方面。

塑料最大的问题是不容易降解，最常用的塑料制品要几百年才能完全降解，直接导致白色污染越来越严重。如何探索和发明一种低成本、高性能的环保材料来替代塑料，仍然是人类迫切需要解决的一大难题。

马里兰大学的胡教授和教授的最新研究为这个问题提供了一个非常有希望的解决方案。

马里兰大学的研究团队利用石墨和纳米纤维素之间的二级键(如氢键)实现了一种低成本、高性能、完全降解的新型结构材料(见下图)。其密度和成本与塑料相当，但强度比钢材还要高，而且可以在水中完全降解。的最新成果于2019年5月8日在线发表在材料科学领域的顶级期刊《今日材料》上。

图(1)基于石墨-纳米纤维素的复合材料示意图；

(2)复合材料具有优异的力学性能。它的比强度远远超过所有常用金属，甚至钛合金。

石墨和纤维素是地球上最丰富、成本最低的材料之一。在分子水平上，两种材料都具有高机械强度、高模量和低密度，是多功能复合材料的潜在理想组分，并且可以获得与金属和碳纤维等聚合物相当的优异性能。然而，由于石墨片之间的结合不良和容易滑动，加工强度高于6兆帕的石墨材料是困难的。另一方面，虽然纤维素可以加工成强度高达300-500MPa的结构材料，但纤维素溶液的固体浓度几乎不能超过5%(即95%是水)，这大大限制了这类材料的批量生产。

为了解决上述挑战，马里兰大学的研究团队使用纳米纤维素作为分散剂，将市售石墨粉在水溶液中剥离出几层横向尺寸较大的石墨薄片，然后将得到的石墨-纳米纤维素浆料进行大面积印刷，浇铸干燥成超强(~ 1 GPA)和超韧(~30.0MJ/m3)复合材料。由于石墨和纤维素的密度较低，得到的超强超韧复合材料的比强度高达~ 700 MPa/(gcm3)，优于大多数结构材料，如金属、聚合物甚至轻合金(如钛合金)。研究小组还通过热压制造了多层石墨-纳米纤维素复合材料，在子弹穿透实验中表现出很强的防弹性能(比纯纳米纤维纸高4.6倍)。此外，通过分子动力学模拟和原位原子力显微镜拉伸试验(与美国莱斯大学娄军教授合作)相结合，研究小组发现，这种复合材料优异的力学性能(强度和韧性)来源于纳米纤维素与石墨之间二级键的协同作用，即纳米纤维素与石墨之间疏水部位(C-H部分)与亲水(氢键)基团的相互作用。

由于石墨和纤维素的天然可降解性，本研究获得的超强和超韧复合材料在水中可以完全降解为石墨和纤维素，降解过程不需要任何化学物质，几天内即可完成。这一亮点使得石墨-纳米纤维素复合材料具有替代塑料的巨大前景。

马里兰大学的研究小组展示了固体浓度高达20%的石墨-纳米纤维素浆料，这使得通过大面积印刷制备复合材料成为可能。该团队成功制备了尺寸为120厘米 30厘米的复合样品(见下图)。

图(上)高固含量石墨-纳米纤维素浆料，使大面积印刷工艺的制备成为可能；

(下)120cm 30cm复合样品。

由马里兰大学这一低成本高性能并且可以完全降解的环保材料具有巨大的应用前景，不但有可能取代塑料，而且其超高比强度的优异性能也展示了其取代钢材等传统结构材料的潜力。研究小组发明目前，马里兰大学的研究小组正与三一集团公司(北美最大的铁路车辆制造商)合作，探索这种材料的商业应用。

这一最新成果显示出巨大的技术和商业潜力，因此获得了“马里兰大学2018年度发明奖(物理科学领域)”

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