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科技日報記者 吳長鋒
4月18日，科技日報記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xì)菌纖維素，合成了一種具有優(yōu)異機(jī)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(xiàng)研究成果日前發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。
這種納米紙張材料，具有較高的抗拉強(qiáng)度、優(yōu)異的可折疊性、抗彎曲疲勞性、較高的電擊穿強(qiáng)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(yīng)用于火星和月球等極端環(huán)境，其在應(yīng)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(dǎo)致材料的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，更有甚者會導(dǎo)致重要設(shè)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(xué)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(diǎn)；聚合物雖然具備輕質(zhì)和可塑性的優(yōu)點(diǎn)，但大多數(shù)聚合物基復(fù)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(xì)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(luò)結(jié)構(gòu)。研究人員先將細(xì)菌纖維素的菌株木馬孢桿菌引入固體培養(yǎng)基表面，為細(xì)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(xì)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(fù)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(fù)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(jī)械和介質(zhì)強(qiáng)度性能優(yōu)于大多數(shù)商業(yè)云母紙。
為了驗(yàn)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(yàn)。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(xué)性能。在熱沖擊后，該材料的力學(xué)性能沒有明顯下降，強(qiáng)度保持在初始值的98%。
為了進(jìn)一步測試該材料對紫外線的抵抗力，他們將其在強(qiáng)紫外線照射下暴露216小時，力學(xué)性能和電學(xué)性能檢測結(jié)果表明，該材料仍保持了90%的介電強(qiáng)度和99%的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度仍保持在96%。
研究人員表示，這項(xiàng)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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