[高分子材料] 性能超越“凯夫拉”：MIT研制出新型高强度-高韧性纳米纤维

团队为工业界提供高性能碳纳米管纤维莱斯大学生产的碳纳米管纤维现在比凯夫拉尔纤维更坚固，并且在铜的电导率上眇乎小哉赖斯化学和生物分子工程师Matteo Pasquali实验室在Carbon杂志中报道说，它已经开发出最坚固，导电性最强的纤维，它是通过长丝纳米管通过湿纺工艺制成的。

在赖斯大学研究生Lauren Taylor和Oliver Dewey领导的这项新研究中，研究人员指出，湿纺碳纳米管纤维可能会导致许多医疗和材料应用领域的突破，其强度和电导率每三年翻一番，这一趋势跨越了近二十年。

尽管这可能永远无法模仿摩尔定律，该定律为数十年来计算机芯片的发展树立了标杆，但Pasquali和他的团队正在尽本身的一份力量来鞭策他们开创的制造碳纳米管纤维的方法。

实验室的线状纤维截面为数千万纳米，目前正在研究中，它们用作修复受损心脏的桥梁，与大脑的电接口，用于耳蜗植入物，用作柔性天线以及用于汽车和航空航天应用。

它们也是Carbon Hub的一部分，Carbon Hub是Rice在2019年发起的一项多大学研究计划，在Shell，Prysmian和Mitsubishi的支持下创建了零排放的未来。

帕斯夸利说：“碳纳米管纤维因其潜在的优越性能而长期受到吹捧。

”“在赖斯和其他地方的二十年研究使这种潜力得以实现。

现在，我们需要全球范围内的努力来提高生产效率，以便可以在零二氧化碳排放的情况下制造这些材料，并有可能同时生产清洁氢。

”泰勒说：“本文的目的是提出我们实验室生产的纤维的记录特性。

”“这些改进意味着我们现在的强度已经超过凯夫拉尔纤维，这对我们来说是一项巨大的成就。

再加倍，我们将超过市场上最强的纤维。

”柔性莱斯纤维的抗张强度为4.2吉帕斯卡(GPa)，而凯夫拉尔纤维为3.6 GPa。

纤维需要具有高结晶度的长纳米管。

也就是说，碳原子环的规则摆列几乎没有缺陷。

杜威说，赖斯工艺中使用的酸性溶液还有助于减少可能干扰纤维强度的杂质，并通过残留掺杂增强纳米管的金属性能。

凯夫拉加固热塑性复合材料
凯夫拉，又称为聚对苯二甲酰胺，是一种具有极高强度和刚度的合成纤维，在复合材料领域有着广泛的应用。

凯夫拉加固热塑性复合材料是一种新型材料，通过在热塑性基体中添加凯夫拉纤维，实现了材料性能的显著提升。

这种复合材料的独特之处在于凯夫拉纤维的优异性能。

凯夫拉纤维具有极高的拉伸强度和模量，使得加固后的复合材料具备了出色的耐拉伸性能，能够承受较大的拉伸载荷而不容易发生变形或破坏。

此外，凯夫拉纤维还具有较高的抗冲击性和耐磨损性，使得复合材料在受到外部冲击或摩擦时能够更好地保持稳定性。

通过将凯夫拉纤维与热塑性基体进行有效结合，可以实现复合材料的综合性能优化。

凯夫拉纤维的高强度和刚度为复合材料提供了良好的强度和刚度，使其在应力集中区域具有较高的抗拉应力能力，有效提升了材料的抗拉性能。

同时，凯夫拉纤维的耐磨损性和抗冲击性也为复合材料在使用过程中提供了更长的使用寿命。

凯夫拉加固热塑性复合材料具有较好的加工性能，可以通过注塑、压延、挤出等工艺进行成型。

在制备过程中，可根据实际需要对凯夫拉纤维进行定向排布，从而进一步优化复合材料的力学性能。

同时，凯夫拉纤维与热塑性基体之间的界面结合也得到了改善，增强了复合材料的结合强度和耐久性。

总的来说，凯夫拉加固热塑性复合材料具有优异的力学性能、耐磨损性和抗冲击性，适用于汽车、航空航天、体育器材等领域。

随着材料科学技术的不断发展，凯夫拉加固热塑性复合材料有望在更多领域得到广泛应用，并为相关行业的发展注入新的活力。

纳米材料作者：来源：《新材料产业》2020年第04期石墨烯打造的新型纺织物：穿在身I-越热越凉爽曼彻斯特大学的科学家们已经开发出一种新型智能纺织品，这种纺织品可以制成适应性服装，从而使穿着者可以在天热的时候让里面保持凉爽，反之亦然。

这种材料通过使用石墨烯来实现这一点，石墨烯可以通过调节来改变纺织品的热辐射，研究小组认为这种技术还可以应用在高级显示器乃至宇航服上。

这种材料能够通过微小的电流传导到嵌入材料的石墨烯层上。

这可以改变通过材料表面发出的红外辐射的数量，在一个演示中，其能可以用来屏蔽红外摄像机对人的手的热信号。

现在，该团队正着眼于其可调纺织品的积极作用。

研究小组通过制作一件衣服原型演示了这种动态热辐射控制。

但他们设想这种能力可以用到其他各种用途，比如交互式显示甚至自适应宇航服。

近期，该团队希望探索其解决轨道卫星面临的极端温度波动的潜力。

（中国航空报）科学家创造出高强度纳米纤维材料耐热性比凯夫拉好20倍据报道，凯夫拉（Kevlar）和特瓦伦（Twaton）是著名的坚韧材料，但在强度、耐热性和重量之间需要做出一点权衡。

现在，哈佛大学的研究人员已经创造了一种新的纳米纤维版本的材料，它具有同样的强度，但更加隔热。

该研究发表在（（Matter））杂志上。

Kevlar和Twaron的保护性能来自于它们的分子结构，而改变這种结构就会改变它们的有效作用。

对于机械打击，如防弹背心，材料会呈现出高度有序的结构，从而使其能够重新分配力量。

保温材料具有更多的多孔结构，可以最大限度地减少通过的热量。

通常情况下，由于材料的基本特性，设计用于保护肢体免受极端温度和伴随爆炸的致命弹丸的设备一直很困难。

强度足以抵御弹道威胁的材料无法抵御极端温度，反之亦然。

结果，当今的大部分防护装备是由多层不同的材料组成的，从而导致笨重而沉重的装备，如果戴在手臂和腿上，将严重限制士兵的行动能力。

现在研究人员开始将两种类型的材料合二为一。

研究人员能够调整起始聚合物液体的粘度，使最终的线程具有所需的特性。

MIT：超细超强纤维佚名【期刊名称】《《国际纺织导报》》【年(卷),期】2019(047)006【总页数】2页(P4,6)【正文语种】中文美国麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种新的可用于制备具有极高强度和韧性的超细纤维的技术。

所得纤维是一种可用于防弹头盔和纳米复合材料等诸多领域的理想材料，同时还具有价格低廉、易于生产的特点。

MIT化学工程系教授Gregory Rutledge和博士后Jay Park在其论文中将这种新技术命名为“冻胶静电纺丝”，该论文已在《Journal of Materials Science》的二月版上发表。

Rutledge教授认为，在材料科学领域，材料具有许多优缺点，需要权衡。

最典型的表现是，研究人员在提高材料某种性能时，这种材料的其他某些性能可能会有所下降。

他指出强度和韧性就是这样的一对矛盾体。

通常研究者制备高强材料时，有可能损失了这种材料的韧性。

材料脆性的增加使得其吸收的冲击能下降，进而材料更容易产生断裂。

但采用上述新技术制备纤维，不存在这种性能权衡取舍的现象。

Rutledge教授表示，制得同时具有高强度和高韧性的材料是件不容易的事。

而采用这种新方法可以实现，该方法是在传统的冻胶纺丝技术基础上，施加以电压，制备超细聚乙烯纤维。

所得纤维性能超过目前一些用于防弹衣和防弹头盔的、强度最高的纤维(如Kevlar 和Dyneema)，或与之相媲美。

左：对注射器加热，并挤出纺丝溶液；右：纺丝腔体，细流在电场力作用下被拉伸成超细的聚乙烯纤维图1 纤维制备装置(资料来源：研究人员供图)图2 MIT研究组制备的新型超细纤维的SEM图Rutledge教授等最开始致力于制备直径为1 μm以下的各种尺寸的纤维，因为这种尺寸的纤维本身就具有各种有趣的特性。

他们已经关注这种超细纤维(或称为纳米纤维)很多年，但仍不能称其为高性能纤维。

真正意义上的高性能纤维指的是，芳香族聚酰胺纤维(如Kevlar)以及冻胶纺丝聚乙烯纤维(如Dyneema和Spectra)，这些高性能纤维可用于制备极端环境下使用的绳索以及用于高性能复合材料的增强纤维。

浅谈纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料是一种新型的复合材料，具有优异的力学性能和环境友好性，受到了广泛的关注。

本文将就这一领域进行探讨，介绍其特点、制备方法及应用前景。

1. 纤维素纳米纤维纤维素纳米纤维是一种由纤维素纳米颗粒组成的纤维状材料，具有高比表面积和优异的力学性能。

它可以与聚合物基体有效结合，并在复合材料中起到增强作用。

2. 聚合物基体聚合物基体是纤维素纳米纤维增强复合材料的主要成分，其选择直接影响到复合材料的性能。

常用的聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

3. 优异的力学性能纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料具有优异的力学性能，包括高强度、高模量和良好的韧性。

这使得它在航空航天、汽车、建筑等领域有着广泛的应用前景。

1. 溶液共混法溶液共混法是制备纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料的一种常用方法。

首先将纤维素纳米纤维分散在溶剂中，然后将聚合物溶液加入经过搅拌、剪切等过程，最终得到均匀的复合材料。

2. 熔融混合法熔融混合法是将纤维素纳米纤维和聚合物颗粒一同置于熔体中进行混合，然后进行挤出、压延等工艺，得到纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料。

3. 纳米纤维增强法纳米纤维增强法是将纤维素纳米纤维分散在聚合物基体中，通过纺丝、电纺等技术，在纳米尺度上形成增强结构，从而获得纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料。

1. 航空航天领域纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的特性，在航空航天领域有着广阔的应用前景，如飞机结构件、导弹外壳等。

2. 汽车领域在汽车领域，纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料可以用于汽车车身件、发动机零部件等，能够有效降低汽车的整体重量，提高燃油经济性。

3. 建筑领域纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料还可以应用于建筑领域，如制备高强度、耐久性好的建筑材料，如预制板、保温材料等。

4. 其他领域除了上述领域，纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料还可以应用于船舶制造、电子产品外壳等领域，具有广泛的应用前景。

《高强度新型碳纳米管纤维研制成功》阅读答案①英国剑桥大学材料科学教授阿兰?魏德尔与美国陆军士兵研究开发中心的研究人员共同研制出一种新型碳纳米管纤维。

该碳纳米管纤维上最脆弱的地方也需要1吉帕斯卡的应力才能折断，强度足以与钢铁相美。

② 碳纳米管是一种棉线状的碳分子，带有仅一个原子厚度的壁。

虽然它们具有非常强的导电性能，但可靠性难以保证。

为了制作这种超强纤维，魏德尔在热炉中将碳汽化，然后吹出一股碳纳米管流。

当这些碳纳米管在空中被捕获并围绕一个轴旋转时，就会形成一根由数十亿个分子组成的纤维，而这些分子沿着碳纳米管紧密排列在一起。

③研究人员认为，强度的改善主要取决于缠绕速度，以便将碳纳米管更好地排列成线以及更紧密地包裹起来。

研究人员通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺，制作出的纤维强度较其他小组制作的要高出0.3倍。

为了使制作的纤维密度更大，他们还在制作工艺中增加了一个步骤，让纤维通过丙酮气体。

丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度。

④新碳纳米纤维一般要在施以大约6 吉帕斯卡的应力时才发生断裂，强度要高于制造防弹背心的常用材料芳纶，而且可与两种最高强度的商业材料——基纶和迪尼玛相抗衡。

目前，研究人员已制作出一根单独的`超强碳纳米管纤维，可承受9吉帕斯卡的应力，表现出具有无与伦比的超强性能，而用别的方法制作的碳纳米管纤维最多可承受3吉帕斯卡的应力。

⑤ 魏德尔目前能制作出的最好纤维长度仅为1毫米，这主要是因为纤维越长，包含的细微碳颗粒和其他缺陷就越有可能削弱它的强度。

即便调节制作工艺，如调整缠绕速度和利用丙酮方法，都不能改变这些碳素颗粒，因此必须回到化学合成的方法来解决这类问题。

研究人员称，这种纤维最具前景的应用也许是制作防弹衣和开采油气钻头。

12.第④段运用了哪些说明方法?有何作用?(2分)13.第⑤段中加点的“目前”能否删去?为什么?(2分)参考答案：12.作比较、列数字(1分)。

纳米技术：中国科学家发现新型纤维状材料衣服可否在冷的时候变厚、热的时候变薄？家里的百叶窗能否根据环境变化自动打开和关闭？义肢的反应灵敏度会比人体肌肉还快吗…………这些情景不仅会在科幻电影和科幻小说里出现，经过科学家在“人工肌肉”材料领域的探索研究，有些已经变为现实。

记者获悉，复旦大学彭慧胜教授课题组通过对碳纳米管的多级螺旋组装，成功制备出一种新型纤维状“人工肌肉”材料，为制备高性能智能响应材料和敏感器件开辟了全新思路。

该研究成果已于近日在线发表于国际顶级期刊《自然－纳米技术》。

事实上，科学界对“人工肌肉”材料的研究很早就开始了，但传统的“人工肌肉”材料多是基于功能性的高分子材料，对溶剂的响应速度很慢，运动形式单一，只是简单的膨胀或弯曲，不容易控制。

与前人研究不同的是，彭慧胜团队使用的碳纳米管具有很高的比表面积，质量轻、导电性好，且收缩强度是人类骨骼肌的１０倍，甚至高于植物界响应最快的植物————食蝇草的“捕食”速度。

此外，该新型纤维状“人工肌肉”还具备防毒功能。

实验证明，这种导电的人工肌肉材料对溶剂响应具有很高的灵敏性和选择性，在工业生产和化学品储存中，可以用来探测毒性溶剂的泄漏和预警。

简单来说，在生产或储存过程中，有毒溶剂及其蒸气过量或泄漏时，人工肌肉材料与危险溶剂或蒸气接触，会自动智能地伸缩或旋转，从而触动警报或安全阀门的开关，发出警报告知工作人员，或是关闭通道防止危险溶剂及蒸气进一步扩散，减少对人体的危害，将发生安全事故的可能性降到最低。

彭慧胜表示，下一步，研究团队将继续完善这项研究。

目前，该研究团队已经通过对“人工肌肉”的纤维进行表面改性，实现了对水的收缩和旋转响应，并制成了可感应湿度变化的智能窗帘。

窗帘通过感应湿度的变化，智能地展开或闭合，调节展开的幅度大小，从而影响房间内的湿度变化。

纤维素纳米纤维板有望取代塑料作者：来源：《绿色包装》2020年第06期纤维素纳米纤维板有望取代塑料塑料作为我们日常生活中最为常见的垃圾，尽管其具有轻便、结实和廉价的特点，是一种被人类广泛使用的人造材料，但其在为人类生活提供便利的同时，也给人类带来了巨大的危害。

愈发严重的“白色污染”问题，已经成为全人类亟需解决的共同难题。

我们需要寻找一种绿色、高性能的塑料替代品。

日前，由中国科学技术大学俞书宏教授领导的团队报告了一种高性能结构材料——纤维素纳米纤维板（Cellulose Nanofiber Plate，CNFP），有望在多个领域取代塑料。

相关研究论文已发表在Science Advances杂志上。

塑料的不易降解性，导致其废弃物可以长期存在。

塑料自然降解时间长，有的甚至长达100年以上，而且往往使用一次就被丢弃，全球每一天都会有大量废弃塑料产生，这就导致“白色污染”问题愈发严重。

许多未经回收的塑料最终会进入海洋，在海浪、阳光和海洋动物的共同作用下，被分解成数百万个微小碎片（即微塑料），微塑料可能会通过我们日常吃的鱼或者喝的水进入我们的血液和免疫系统，从而危害我们的身体健康。

作为一种“事后”手段，垃圾分类也仅仅有助于解决塑料的去向问题，并没有从源头上解决根本问题。

寻找一种可行的塑料可替代品或许是一种更好的解决方案，这也是全球科研人员一直在努力攻关的方向。

近年来，设计同时具有互斥属性（例如强度和韧性）的高性能结构材料，尤其是基于纳米构件的结构材料，引起了科研人员越来越多的兴趣。

当这些纳米构件被“组装”成宏观尺度的材料时，许多纳米级性质就可以被扩展到宏观层面。

用可再生和可持续的纳米构件来构建一种高性能、绿色的块状结构材料非常重要。

地球上的大多数植物在长期进化过程中，纤维素基材料已经被用来作为它们自己的结构支撑材料。

植物中的纤维素主要以纤维素纳米纤维（CNF）的形式存在，具有出色的机械和热学性能。

CNF 可以从植物中提取，也可以由细菌产生，是地球上最丰富的绿色资源之一，它具有低密度、低热膨胀系数、高强度、高刚度、易变形等优良性能，是构建宏观高性能材料的理想纳米级构件，它比凯芙拉（Kevlar）和钢具有更高的强度（2 GPa）和模量（138 GPa），并且与石英玻璃相比，它具有更低的热膨胀系数（0.1 ppm/K）。

气凝胶纳米纤维
气凝胶纳米纤维是一种具有优异性能的材料，由聚合物基体和纳米级的气凝胶微粒组成。

气凝胶纳米纤维具有轻质、高强度、高绝热性和良好的耐腐蚀性等特点，在多个领域具有广泛的应用前景。

气凝胶纳米纤维的主要性能特点包括：
1. 轻质：气凝胶纳米纤维的密度非常低，通常在1-2 kg/m3之间，远低于传统的纤维材料。

这使得它在建筑、航空、运输等领域具有重要的应用价值。

2. 高强度：气凝胶纳米纤维具有出色的强度和刚度，其强度通常可以达到传统纤维材料的数倍甚至更高。

这使得它在结构材料、防弹材料等方面具有潜在的应用。

3. 高绝热性：气凝胶纳米纤维具有极低的导热系数，使其成为一种高效的绝热材料。

这对于建筑、汽车、电子设备等领域的节能减排具有重要意义。

4. 良好的耐腐蚀性：气凝胶纳米纤维对酸、碱等腐蚀性物质具有较好的抵抗能力，使其在化工、能源等领域具有潜在的应用。

5. 可定制性：气凝胶纳米纤维可以通过改变其组成和结构来实现多种性能的优化，例如改变其孔径、孔隙率等参数来调控其力学性能和热学性能。

气凝胶纳米纤维的应用领域包括：
1. 建筑领域：用于隔热保温材料、墙体材料、地板材料等。

2. 航空领域：用于飞机外壳、座椅、伞具等。

3. 运输领域：用于汽车座椅、安全带等。

4. 电子设备：用于散热器、传感器等。

5. 化工能源：用于防腐蚀管道、催化剂载体等。