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新型超级木材在强度方面击败金属

来源:smithsonianmag2021-01-11

smithsonianmag 2021-01-11

Sid Perkins为《科学美国人》撰文说,通过将木材浸泡在多种化学物质中,然后压缩和加热,研究人员创造了一种比钢铁更坚固的材料。

材料科学家已经进行了数十年的研究-挤压木材,冷却并使其通过滚筒,用氨水或蒸汽进行处理-所有这些都是以用相对可再生的资源制成坚固,坚韧的材料为名。研究人员 在《自然》杂志上发表的一项新研究中报告说 新木材的密度是天然木材的三倍,强度是天然木材的12 

马里兰大学,大学公园分校的材料科学家梁良兵说:松木或轻木这样的生长较快的木材,对环境更加友好,可以代替生长较慢但密度较高的柚木(如柚木)。根据一份新闻稿,其中一位研究作者 

Perkins告诉其他人,压实木材的其他方法所产生的材料在潮湿时会趋向于恢复其原始尺寸和形状。新方法通过产生更均匀致密的最终结果来增强木材的防潮性。

这种木材可以用于汽车,飞机,建筑物-任何使用钢的应用,对《大众力学》报道的 大卫·格罗斯曼未来的摩天大楼 甚至可以用木头建造

该过程开始于将木材浸泡在氢氧化钠和硫酸钠浴中。这两种化学物质共同作用,部分去除了木质素和半纤维素,这两种聚合物使植物的细胞壁变硬。至关重要的是,这些化学物质会使纤维素(第三种聚合物)的大部分完好无损。木质单元壁变得较不刚性,而更多孔。接下来,研究人员在将木材加热到约100摄氏度的同时对其进行压制。木材有许多沿生长方向延伸的自然通道,称为氧化铝。这些通道和细胞壁在研究人员加热挤压的过程中塌陷,纤维素分子之间形成新的氢键,从而使材料坚韧。

研究人员在论文中报告说,在显微镜下观察,最终结果是几层木头紧密堆积在一起。最终材料的厚度约为其原始尺寸的五分之一,但密度却是其三倍。

然后,研究人员对他们的致密木材进行了一系列测试,以测量其机械性能 他们测试了其承受负荷的能力。他们测试了它的刚度,抗张强度(承受拉力的能力)以及弯曲的能力。总体而言,结果是一块粗糙而翻滚的木头。在湿度测试中,木材仅膨胀了约8.4%,同时仍保持坚韧。

他们还用弹道气枪向木头发射了一枚钢弹。马克·扎斯特罗夫(Mark Zastrow)报道《自然》杂志报道说,五层材料共同阻止了以撞车前撞车的速度运动。

结果令人印象深刻,但不足以说服一些专家。Zastrow与俄勒冈州立大学的Fred Kamke进行了交谈,他没有参与这项新研究。Kamke指出,24层致密的白杨木可以在不进行化学处理的情况下停止25英尺高处发射的9毫米速射弹。他说:这些其他方法可能比在苛性溶液中煮7个小时要便宜得多。” 

但胡和他的同事们用自己前进超实木报告斯图博尔曼的化学化工新闻。一家名为Inventwood的衍生公司希望通过市场推广该技术,并看到汽车,飞机,集装箱,地板,装甲等的未来,以及用比钢更坚固的经过煮制,处理和压缩的木材建造的产品。


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