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能替代木材的水泥?一项来自中国科学家的新创造,灵感来源亮了

大自然是万物之母。科技时代,大自然也为仿生人造材料提供了有希望的灵感

近日,中国科学院金属沈阳材料科学国家(联合)实验室副主任张哲峰及其团队,开发了一种基于单向多孔结构的新型水泥材料,这种新材料的绝妙之处在于,它是可以复制天然木材的创新设计。

图 | 木质水泥的形成和 3D 建筑(来源:Science Advances)

这种木材状水泥材料的先进之处有二。一是,在相同密度下显示出了更高的强度,二是,具有多功能特性,可实现有效的隔热,透水性和易于调节的斥水性。张哲峰及其团队使这种材料同时具备了高强度和多功能性,从而使这种木质水泥成为有前途的高性能仿木设计新型建筑材料。

此外,他们提出了一种简单的制造程序,以提高批量生产期间的效率,并适用于其他材料系统。

开发受生物启发,打造天然木材“替代品”  

多孔水泥基材料具有较高的吸音效率、较低的隔热、导热率、出色的空气和水渗透性,同时又保持了轻质和耐火性。然而,想要同时提高机械性能和多功能性能(包括机械支撑、有效运输和良好的隔热性)仍然是关键挑战。因此,非常需要积极地实现天然木材的设计原理。

在实验过程中,张哲峰及其团队受生物的启发,最终这个难题迎刃而解。

张哲峰及其团队通过双向冷冻处理形成具有单向多孔结构的木状水泥方法。该过程允许在结构的各组成部分之间形成桥梁,然后团队解冻了完全冻结的物体,直到冰逐渐融化并使水泥硬化。

随后的水化过程在水泥中产生了新的矿物质和凝胶,包括六角形的氢氧化钙、针状钙矾石和水合硅酸钙凝胶。

这些元素主要起源于水泥薄片,并且在融化和固化过程中逐渐增长到一定间距,从而在多孔水泥形成过程中通过增强的薄片相互连接而获得更好的结构完整性。然后,团队使用X射线断层扫描(XRT),揭示了在冰样水泥中单向微孔的形成。

图 | 木质水泥的微观结构特征(来源:Science Advances )

解析单向多孔结构,难题迎刃而解

张哲峰及其团队使用扫描电子显微镜(SEM)图像揭示了冰样水泥中薄片之间的单向孔隙,该孔隙包含大量桥接薄片的互连。

研究小组将互连分为三类:(1)由于在冻结过程中水泥颗粒吞入冰晶而形成的桥梁和交叉点;(2)六角形氢氧化钙;(3)针状钙矾石。针状钙矾石是由于在融化和固化过程中水泥的水合反应而产生的。由于凝胶的脱水和水的去除,在水泥干燥过程中形成的水泥薄片包含大量的孔。

据悉,该团队将木质水泥中的孔隙分为三种类型,包括(1)层间开孔,(2)层间开孔和(3)层间闭孔。

他们获得了在添加或不添加硅粉的情况下,木质水泥的典型压缩应力-应变曲线。

抗压强度随着用于开发该材料的浆液中水/水泥比的增加而单调降低,最终导致水泥中孔隙率增加。由于材料的破坏应变,会随着总孔隙率增加而增加,因此可通过其孔隙率来确定多孔固体的强度。

接下来,研究小组测量了以冰为模板的木质水泥的导热系数,以显示导热系数随着材料孔隙率的增加而降低。他们还使用红外(IR)图像清楚地观察了以冰为模板的水泥材料强大的隔热性能。

为了调节隔热效率,张哲峰及其团队通过增加水/水泥含量来调节水泥浆中的固含量。所得的水泥材料由于其内表面的亲水性(吸水性)而吸收了水。

相反,它们可以通过用有机硅试剂使表面防水来防止水渗透到孔隙中。这种对疏水性的努力甚至可能导致材料漂浮在水上。因此,该方法可以作为适于建筑材料的透水或防水结构而促进可切换的应用。

图 | 仿木水泥与天然木材和其他多孔水泥材料的比较(来源:Science Advances )

木质水泥材料前景广阔

张哲峰及其团队提出了一种冰模板技术作为一种可行方法,来创建可在陶瓷、聚合物、金属及其复合材料上使用的单向微孔。科学家基于与水合反应接触时水泥的自硬化行为,开发了一种冻干处理工艺。

通过这种新工艺所得的木状水泥建筑,包含了各种开孔或闭孔形式的孔,并有大量相互连接的桥接片状结构。当孔隙率增加时,水泥的强度降低。木材状水泥还具有较低的导热性和良好的透水性。该团队可以更换水泥分别通过疏水或亲水处理而具有疏水性或吸水性的材料。

简单实用的材料开发策略,再加上其成分的自硬化特性,可以显着提高冰模板技术的时间和成本效益,以形成可持续的混凝土,并有潜力将该方法转化为其他材料系统。

根据世界可持续发展商业理事会的数据,水泥生产占全球人为二氧化碳排放量的百分之九。通过寻找替代方法来制造或完全替代水泥来改变这种状况,对于某些应用,可能可以使用更少的替代材料,或仍可通过提高结构的整体强度和耐用性,都会减少对环境的影响。

张哲峰及其团队通过这种新工艺所得的木状水泥材料,是为可持续发展做出的重要贡献。