香港大学徐立之课题组《亚博体育》: 基于聚合物纳米纤维超连接网络的超强多功能气凝胶
2022-07-25 来源:高分子科技
自然界生物广泛利用微纤维网络构筑高效的承重组织结构,并启发人们对于轻质,高强的多功能气凝胶的开发和利用。其中包括:基于增材制造技术制备具有理想力学性质的超材料,但缺乏大批量生产的能力;溶胶-凝胶法制备高硬度的无机气凝胶,但其不具备大尺度的形变能力;聚合物纤维的自组装制备仿生的纤维网络结构,但由于纤维之间缺乏有效的相互作用,目前仍然难以合成高力学强度的结构。仿造自然界的结构材料,人工合成高力学性能的三维微纤维网络结构仍然面临挑战。
近日,香港大学机械工程系徐立之教授团队报道了基于芳纶纳米纤维和聚乙烯醇自主装形成的复合纳米纤维网络超强气凝胶。在纳米尺度下,由于构成纤维网络的高分子间的相互作用,纤维和纤维之间形成的节点具有很高的强度和连接度,赋予了该复合纳米纤维气凝胶理想的硬度和强度。并且在大尺度形变下,节点的持续断裂提供了大量的能量耗散,使得该气凝胶的断裂能(~4700 J/m2)比一般气凝胶高出几个数量级。在Maxwell 枢接框架结构中加入纤维的屈曲,纤维之间的转动和分离阻力,以及节点的断裂条件,有效模拟和预测这种微纤维交联网络的力学性质,并揭示了纤维之间的高连接度对材料整体力学性能的关键性作用。此外,作者通过简单的加工技术,制备了各种功能结构,证明该材料在空气滤膜,可穿戴电子器件和热隐身方面的应用潜力。该工作以“Ultrastrong and multifunctional aerogels with hyperconnective network of composite polymeric nano?bers” 为题发表在《Nature Communications》(Nat. Commun. 13, 4242 (2022))。文章的共同通讯作者是香港大学机械工程系徐立之教授和香港大学机械工程系林原教授。共同第一作者为博士研究生何慧敏和博士后研究员魏茜。
图1,气凝胶材料的结构和设计
图2,力学性能表征和对比
图3,纤维网络结构和力学性能的模型构建和理论模拟
图4,材料在空气滤膜,可穿戴电子器件和热隐身方面的应用
论文链接:http://doi.org/10.1038/s41467-022-31957-2
课题组主页:http://xulizhi.hku.hk
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