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人造木材

工程技术人造木材

科学家们用合成树脂制造了人造木材,在模仿天然木材的同时表现出多功能用途的改进特性

木材是一种存在于树木、灌木和灌木中的有机纤维组织。 木材可以被称为地球上最有用,也可能是最通用的材料。 几千年来,它已被用于多种用途,并以其低密度和高强度而备受赞誉。 木材独特的各向异性蜂窝结构(即不同方向的不同特性)赋予其惊人的机械特性,同时使其坚固、坚硬但仍然轻巧灵活。 木材具有高抗压强度和低抗拉强度。 木材对环境和成本友好,超强,耐用且持久,可用于建造从造纸到建造房屋的任何东西。

大自然已经为我们提供了令人惊叹的材料,如木材。 然而,我们总是有一种围绕自然的灵感来设计和开发高性能的仿生工程材料,这些材料可以“模仿”自然界中已经发现的生物材料的惊人特性。 木材的独特之处在于其各向异性的蜂窝结构以及低密度和高强度。 最近,科学家们试图设计考虑到这一概念的材料,以复制木材的高强度和轻量化等特性。 然而,由于设计的材料存在一个或另一个缺陷,大多数研究都导致了不令人满意的结果。 对于工程师来说,构建它仍然是一个巨大的挑战 人造的 类似木材的材料。 这非常重要,因为天然木材的生长需要数十年的时间,而时间和效率是制造类似于天然木材的材料的重要标准。

仿生木

中国科学技术大学的研究人员设计了一种制造仿生人工聚合物的新策略 木材 大范围上。 这种人造材料具有类似木材的蜂窝状微观结构,微观结构具有良好的可控性,并表现出类似于天然木材的机械性能的轻质和高强度等特性。 研究人员表示,与迄今为止研究过的任何其他工程木材不同,这种新材料与天然木材一样坚固。

在自然界中发现的木材含有一种称为木质素的天然聚合物,它负责使木材变得坚固。 木质素将纤维素的小微晶以网状结构结合在一起,以产生高强度。 研究人员考虑通过使用具有类似特性的称为甲阶酚醛的合成聚合物来复制木质素。 他们成功地将传统可用的甲阶酚醛树脂(酚醛树脂和三聚氰胺树脂)转化为 人造木材 像材料。 通过首先利用聚合物甲阶酚醛树脂的自组装特性,然后进行热固化来实现转化。 为了实现自组装,液态恒温树脂被单向冷冻,然后在不超过 200 摄氏度的温度下固化(交联或聚合)。 生产的工程木材采用与天然木材非常相似的细胞状结构。 随后,进行了热固化 - 一个由温度引起的酚醛树脂化学变化(此处为聚合)组成的过程 - 用于生产人造聚合物木材。 这种材料的孔径和壁厚可以手动控制。 不仅如此,甲阶酚醛树脂制成的微晶还可以根据木材类型的要求而改变。 颜色也可以通过添加或转换将甲阶酚醛树脂结合在一起的微晶来改变。 当这种工程木材被压缩时,它表现出与其天然对应物相似的抵抗力。 该研究中描述的方法也可以称为制备人造木材的绿色方法,其中可以使用纳米材料(如纤维素纳米纤维和氧化石墨烯)的堆肥。

有趣的是,与天然木材相比,工程人造木材显示出更好的耐水和耐酸腐蚀性,同时假设其机械性能没有下降。 这意味着人造木材可以抵抗极端天气事件,并在提供保护方面得到改进。 它还显示出更好的隔热性和更高的防火性,并且不会像天然木材一样容易着火,主要是因为甲阶酚醛具有阻燃性。 这对制造和建筑等行业来说是一个福音,尤其是使用天然木材建造时会着火的住宅建筑。 这种材料非常适合恶劣和恶劣的环境,因为与天然木材相比,它的性能相当出色。 与蜂窝陶瓷和气凝胶等标准工程材料相比,它在强度和隔热性能方面是独一无二的。 由于其更高的强度,它也比大多数塑木复合材料更有效。 工程木材具有相当多的特性,使其更高效。

这项研究中描述的新策略发表在 科学进展 为制造和设计各种高性能仿生工程复合材料提供了新的途径,这些材料将比传统的同类材料具有一些显着的优势。 这种新型材料在许多领域都有广泛的应用。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

志龙 Y 等人。 2018 仿生聚合物木材。 科学进展. 4(8)。
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223

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赛欧团队
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