硬度堪比大理石 全新材料“彈性陶瓷塑料”問世

2023-06-08 19:33:04 來源: 科技日報 作者: ​洪恒飛 吳雅蘭 柯溢能 江耘

 



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洪恒飛 吳雅蘭 柯溢能 科技日報記者 江耘

8日，記者從浙江大學獲悉，該校化學系唐睿康教授、劉昭明研究員合作團隊將有機化合物與無機離子化合物在分子尺度融合，發明了新物質“彈性陶瓷塑料”，使其兼具硬度與彈性，同時像塑料那樣擁有可塑性，還能被循環加工。相關論文發表於國際期刊《自然》。


具有雙連續網絡的“彈性陶瓷塑料”概念圖

“此前，通過混合有機物與無機物實現兼有兩類物質性能的復合材料時有出現。”唐睿康介紹，好比把無機物粉末倒入有機物的框架裡，再攪拌均勻，但在分子尺度上，二者仍然是相對獨立的存在。

課題組此次通過融合有機化學中的官能團化反應到無機化學中，設計出一種同時含有有機和無機離子片段的雜化分子，再將分子組裝得到共價鍵和離子鍵的互穿網絡結構，使材料兼具有機化合物和無機離子化合物的性質。


“彈性陶瓷塑料”樣品 

“在篩選了很多化學反應後，我們最終選擇了無機化學中經典的酸鹼反應。簡單快速地連接鹼性離子鹽與酸性的有機分子，從而構成雜化分子。”劉昭明說，再采用類似熱壓的工藝，就可以從雜化分子“自下而上”地形成宏觀材料。以課題組制備的紐扣狀黃色小塊樣品為例，僅從實驗室階段來說，制備成本低於常規的塑料。

“在這個分子中，無機離子鍵網絡和有機共價鍵網絡交織穿插在一起，這種相互穿插的結構是以往沒有的。”唐睿康表示，其中有機物和無機物的化學比例大約各占一半，在宏觀上就是兼具橡膠與陶瓷特性的“彈性陶瓷塑料”。


“彈性陶瓷塑料”與其他材料的五項性能對比

科研人員將“彈性陶瓷塑料”的性能與常規的陶瓷、橡膠、塑料、金屬作對比，發現它不僅有大理石的硬度，而且加熱後不會軟化，在硬度、回彈、強度、形變和可加工性等幾個指標上，都得到了高分。

談及這一新物質的應用，唐睿康表示，具備多種材料的特性，使得它在諸多領域有了發揮空間，比如陶瓷材質的工具替代、生命健康領域的骨骼材料、戶外運動使用的護甲等，有待於具體的產學研合作加以開發。

（科研人員供圖）