材料是人類文明發(fā)展的物質基礎。航空航天等高技術領域對工程結構材料性能的提升不斷提出新的需求，研制全面超越工程塑料、陶瓷和金屬材料等傳統(tǒng)結構材料的新型輕質高強材料，對相關領域的實際應用具有重要的戰(zhàn)略意義，在輕量化抗沖擊防護和緩沖材料、空間材料、精密儀器結構件等應用領域將具有廣闊的應用前景。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊發(fā)展了一種新型納米纖維仿生結構材料的制造方法，成功研制了一類天然納米纖維素高性能結構材料。該材料具有優(yōu)異的綜合性能，密度僅為鋼的1/6，而比強度、比韌性均超過傳統(tǒng)合金材料、陶瓷和工程塑料，這種新型全生物質仿生結構材料有望替代現(xiàn)有的工程塑料，具有廣泛的應用前景。

研究結果表明，這種新型材料具有輕質高強韌的優(yōu)異性能，其性能均超越航空鋁合金和鋼，且其密度僅為鋼的1/6，鋁合金的1/2。研究人員發(fā)現(xiàn)，該材料的輕質高強韌主要來自材料微米級層狀結構和納米三維網絡結構設計，纖維素納米纖維內部高度結晶可以提供極高的強度，纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網絡進行結合，在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網絡可以迅速解離和重構，吸收大量能量，使材料在具有高強度的同時實現(xiàn)高韌性，克服了傳統(tǒng)結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題。

這種材料還具有極高的尺度穩(wěn)定性和抗熱沖擊性能。在-120～150 ℃的溫度范圍內，其熱膨脹系數(shù)極低，即使溫度改變100 ℃，其尺寸變化也在0.05%，遠優(yōu)于航空合金材料和工程塑料，僅為航空鋁合金的1/5，工程塑料的幾十分之一，與陶瓷接近。另外，在-196～120 ℃之間進行反復劇烈熱沖擊循環(huán)測試下，該力學性能與尺寸依然高度穩(wěn)定。

此外，該材料還具有極高的抗沖擊性能、高損傷容限以及高能量吸收性能。分離式霍普金森壓桿的超高速沖擊實驗結果表明，在相當于一輛高速行駛的汽車的高速沖擊下，表現(xiàn)出超高抗壓強度，這主要是材料內在的三維納米纖維網絡在受到高速沖擊時發(fā)生滑移，納米纖維間的大量氫鍵發(fā)生迅速的解離和重構，可將沖擊動能吸收并轉化為熱量，有望使其可以作為合金的替代品。

這種可持續(xù)新型天然納米纖維仿生結構材料集成了輕質高強韌、高尺寸穩(wěn)定性、抗熱震、抗沖擊、高損傷容限等多種優(yōu)異性能，綜合性能突出，將在輕量化抗沖擊防護及緩沖材料、空間材料、精密儀器結構件等應用領域將具有廣闊的應用前景。