现代制造业在运输、土木工程、建筑、汽车应用和航空航天等领域迫切需要轻而坚固的结构材料。为了满足这些需求，科学家和工程师开发了一系列具有优异机械性能的非凡材料，例如以石油产品（如碳纤维、碳纳米管和石墨烯）、陶瓷以及金属和合金为基础的材料。然而，大多数合成材料需要复杂且高成本的制造过程（如碳纤维），产生不利的环境影响（如钢铁、合金），或者对于许多应用来说太重。此外，强度和韧性这两个关键的结构特性在结构材料设计中往往是相互排斥的，在这种设计中，坚固的材料通常是脆性的，而坚固的材料通常是脆弱的。为了应对这一挑战，人们付出了巨大的努力来开发生物启发的结构材料，该结构材料可以在低密度（即轻质）的同时提供强度和韧性的组合，同时还可以大批量、低成本地制造。在此，马里兰大学胡良兵等人设计了一种简单而有效的自上而下的方法，将天然竹子加工成一种重量轻但强度高的散装结构材料，其抗拉强度高达≈1 GPa，韧性为9.74 MJ m⁻³。更具体地说，竹子是通过部分去除其木质素和半纤维素，然后进行热压增密的。长而整齐的纤维素纳米纤维显著增加了氢键，大大减少了致密竹材结构的结构缺陷，使竹材具有较高的机械拉伸强度、弯曲强度和韧性。经过密实处理的竹子中木质纤维素的低密度使其比强度达777 MPa cm³ g⁻¹，显著高于其他报道的竹子材料和大多数结构材料（如天然聚合物、塑料、钢和合金）。这项工作展示了由原料丰富、快速生长和可持续的竹子大规模生产轻质、坚固的散装结构材料的潜力。

Zhihan Li, Chaoji Chen, Ruiyu Mi, Wentao Gan, Jiaqi Dai, Miaolun Jiao, Hua Xie, Yonggang Yao, Shaoliang Xiao, Liangbing Hu. A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo. Advanced Materials 2020, 1906308.

DOI: 10.1002/adma.201906308

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.201906308