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耐用木材海绵充当机械应变的绿色传感器

2019-03-27 16:02:52来源:

在轻柔和坚固之间取得恰到好处的平衡,轻木是制作从模型飞机到全尺寸风力涡轮机叶片的任何选择材料。美国和中国的科学家通过化学和物理处理劫持其天然结构,将其转化为能够承受反复压缩和其他极端机械条件的“木碳海绵”,为轻木开辟了新的可能性领域。

“我们的研究结果表明,通过化学处理和碳化过程可以使刚性和不可压缩的轻木可高度压缩,产生的木碳海绵具有机械可压缩性和抗疲劳性,电响应灵敏度超过大多数报道的可压缩碳质材料,”高级作者Liangbing Hu,马里兰大学帕克分校(UMD)的A. James Clark工程学院的纳米工程师和材料科学家。“由于这种木碳海绵完全由天然木材制成,采用简单且具有成本效益的方法,因此与碳纳米管或石墨烯等流行的选择相反,源材料也具有极高的可再生性和可持续性。”

作者通过使用常见的化学物质来破坏坚硬的半纤维素和木质素纤维,从而维持木炭的正常细胞壁结构,然后将处理过的木材加热到1,000?C,从而实现木碳海绵的可弯曲但有弹性的结构。将有机材料单独转化为碳。该过程的净效果是塌陷了轻木和其他木材微观结构中典型的重复的,规则的矩形口袋,并用一堆波状,互锁的拱状碳片代替它们,胡片比作胡子之间的十字架。盘簧和蜂窝状。

而正常的碳化木材,仅从加热步骤中获得,没有任何化学改性,是如此脆弱,以至于任何合理的施加力都不可逆地将其粉碎成灰尘和灰尘,木碳海绵经受住了大量的压缩并在变形前连续进行10,000次试验反弹这样的表现最初让研究团队感到惊讶,研究团队也是由马里兰大学帕克分校的机械工程师Teng Li和华中科技大学(中国)的电气工程师Jia Xie领导的。 。

在对海绵进行进一步的机械和电气测试后,研究人员能够将其中一片加入到适合人体手指附着的应变传感器原型中,这种材料适用于可穿戴健身或健康监测电子设备。

研究人员认为,木碳海绵材料也可以用于水净化设备和能量储存和对话技术,如超级电容器和可充电电池。“丰富的应用说明了一种策略的价值,该策略通过从其他自然结构和来源中汲取灵感,探索天然材料(如树木)的潜在隐患,”胡说。