美国华裔科学家让木材强度媲美钢材

2018-02-11 15:58:35来源:海外网
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英国《自然》杂志近日发表了一项材料学最新进展:美国科学家研发出一种可以将天然木材制成高性能结构材料的全新简易方法。这种新问世的密实木材,无论是强度、韧性,还是抗弹性能,都表现出众,不但质量极轻,耐用度还几乎高于目前所有结构金属和合金。

一般而言,具有超凡力学性能的合成结构材料都比较重,有些对环境有害,有些制造成本高昂(如基于聚合物的复合材料和仿生复合材料)。相比之下,天然木材成本低、资源丰富,作为一种结构材料用于建筑和家具已有几千年之久,且始终保持着重要地位。但是,木材的力学性能实在有限,通常不能满足许多高级工程结构和应用的需要。

此次,美国马里兰大学科利奇帕克分校材料科学与工程系教授胡良兵研究团队开发出了一种在木材表面密实化之前处理木材的方法。这种木材表面的密实化,旨在大幅提高木材的尺寸稳定性和力学性能。一般在潮湿条件下,如果采用现有工艺处理,木材易发软,但是该团队所开发的方法却不受影响。

“我们发明了一种简单有效的两步方法来制备超强致密木材。”胡良兵在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访时表示。据胡良兵介绍,所谓的两步法即“化学方法”结合“高温机械压缩”:团队首先通过化学处理(氢氧化钠、亚硫酸钠)部分移除天然木材中的木质素和半纤维素, 然后在100℃条件下,通过机械压缩来实现木材的完全致密化。

其中,两步法的关键在于第一步,也就是“化学方法”这一预处理工序。“处理后的木材由于移除了部分木质素和半纤维素,细胞壁变得柔软,同时暴露出更多的空隙和羟基。”胡良兵表示。

值得注意的是,部分移除木质素和半纤维素而非彻底移除则是纤维素纳米纤维的连接对木材强度也至关重要。研究团队认为,彻底移除会导致材质低劣,因此仍保留了部分木质素以便粘合木材。

随后,研究团队通过高温机械压缩完全致密化极大提高木材中纤维素纳米纤维的有序排列程度和紧密度,从而增加相邻纤维素纳米纤维之间的氢键形成。

实际上,高温压缩在致密木材制备中并不新鲜,学术界此前也已经开发出一些预处理方法与之结合。胡良兵解释,“以往的预处理方法主要包括蒸汽处理、高温热处理、液氨处理等,但这些现有的方法只是软化木材结构,并没有改变木材的化学组成,导致木材的致密化程度不完全,最大减少60%的厚度,从而使获得的致密木材的强度提高较小。”

据胡良兵透露,该研究团队的“两步法”也是意外获得。“在该项研究之前,团队已在进行一些木材化学处理移除木质素的研究工作,在一次实验过程中偶然发现部分移除木质素和半纤维素的木材样品在通过高温干燥后,木材的厚度减少,强度得到了提高。”

正是受此启发,研究团队想到将化学处理和高温压缩相结合来制备获得超强致密木材。

研究论文中提到,团队制备的超强致密木材经过结构表征、力学表征、对湿度响应的表征等测试。结果显示,和以往天然木材受潮即易变软等特性相比,超强致密木材在潮湿环境下结构性能依然稳定,各项机械性能都得到了很大提高,超出天然木材10倍以上。

其中,木材厚度可以减少80%,密度为原来的3倍,从0.43g/ cm³上升至1.3 g/ cm³。另外,超级致密木材的拉伸强度(材料产生最大均匀塑性变形的应力)可达到587 MPa,可以和钢材媲美,但同时可以比钢材轻六至七倍。而由于超强致密木材的密度低,超强致密木头的比拉伸强度超过几乎所有金属和合金材料,甚至包括钛合金。 

值得一提的是,除此番的超强致密木材外,胡良兵团队近年来已发明了一系列围绕木材的先进功能材料,包括透明木材、高各向异性导热和导电金属木材、超柔木材、海水淡化及污水处理木材,储能木材等。

在胡良兵的设想里,这一系列功能性木材有望替代玻璃、聚合物、金属、氧化物等传统结构材料、储能材料、热管理材料及环境功能材料。(环球东方)


责编:关皓

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