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【熱聞】“細菌造”納米紙經(jīng)得起極端環(huán)境考驗
2023-04-21 00:21:15 來源:科技日報 編輯:


(資料圖)

科技日報記者 吳長鋒

4月18日,科技日報記者從中國科學技術大學獲悉,該校俞書宏院士、管慶方副研究員等科研人員,利用合成云母和細菌纖維素,合成了一種具有優(yōu)異機械和電絕緣性能,對極端條件具有良好耐受性的納米紙張材料,該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的交替高溫和低溫耐受性、抗紫外線和原子氧特性。這項研究成果日前發(fā)表在《先進材料》上。

這種納米紙張材料,具有較高的抗拉強度、優(yōu)異的可折疊性、抗彎曲疲勞性、較高的電擊穿強度。與纖維素納米材料相比,這種納米紙張材料的電暈阻力壽命顯著提高,甚至超過了商用聚酰亞胺薄膜。

如果把地球上的功能材料應用于火星和月球等極端環(huán)境,其在應用過程中的可靠性取決于其對極端環(huán)境的耐受性。通常,在這些極端環(huán)境中,一些不利因素包括紫外線、原子氧和高低溫交替等,容易導致材料的物理化學性質(zhì)發(fā)生變化,更有甚者會導致重要設備失效。

為了解決這些挑戰(zhàn),人們使用和開發(fā)了各種基于金屬、陶瓷和聚合物的材料。其中,金屬和陶瓷具有優(yōu)異的力學性能和對極端環(huán)境的容忍度。但金屬基材料同陶瓷基材料相比密度高;而陶瓷基材料也存在因太脆而不能制備成特定形狀的缺點;聚合物雖然具備輕質(zhì)和可塑性的優(yōu)點,但大多數(shù)聚合物基復合材料存在著高溫耐軟化性能差、低溫脆性、耐熱沖擊性能差等問題。

研究人員介紹,他們選用的細菌纖維素,具有高純度、高結(jié)晶度、高彈性模量和天然三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。研究人員先將細菌纖維素的菌株木馬孢桿菌引入固體培養(yǎng)基表面,為細菌纖維素的生長提供穩(wěn)定的培養(yǎng)基—空氣界面。在隨后的細菌纖維素生長過程中,他們通過氣溶膠輔助給料系統(tǒng),為復合水凝膠的形成提供了條件。最后,通過熱壓,他們將得到的復合水凝膠組裝成致密的云母納米堆,得到了納米紙張材料,其機械和介質(zhì)強度性能優(yōu)于大多數(shù)商業(yè)云母紙。

為了驗證該材料對極高溫和極低溫交替環(huán)境的耐受性,研究人員引入了快速熱沖擊試驗。他們將該納米紙張材料在烤箱和液氮之間來回交替,如此一來,材料被快速加熱到120℃,然后冷卻到-196℃。隨后,研究人員測試了該材料在20次熱沖擊循環(huán)后的力學性能。在熱沖擊后,該材料的力學性能沒有明顯下降,強度保持在初始值的98%。

為了進一步測試該材料對紫外線的抵抗力,他們將其在強紫外線照射下暴露216小時,力學性能和電學性能檢測結(jié)果表明,該材料仍保持了90%的介電強度和99%的抗拉強度。此外,這種納米紙張材料對原子氧也具有良好的耐受性,在原子氧大通量輻照6小時后,該材料的介電強度仍保持在96%。

研究人員表示,這項研究將為未來對極端環(huán)境的探索提供一種材料選擇。

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