可持續的纖維素納米纖維衍生體結構材料
纖維素納米纖維，是地球上最豐富的全綠色資源之一。CNF的許多吸引人的特性，包括低密度，低熱膨脹系數，高強度，高剛度和易于改變的表面，使CNF成為建構宏觀高性能材料的理想納米級建構塊。
盡管已經做出了各種努力将CNFs的這些非凡的納米級特性擴充到宏觀水準，但到目前為止，隻有宏纖維和薄膜可以通過不同的政策制備。通過流動輔助組織從木材CNF中獲得粗纖維，楊氏模量為86GPa，拉伸強度為1.57GPa，超過任何已知的天然或合成生物聚合物。
采用超長細菌CNF濕拉濕撚工藝制備了高性能的粗纖維，由CNF組成的具有高強度，高透明度和低熱膨脹系數的薄膜已被設計和用于許多領域，例如電子裝置和柔性顯示器。
将CNF的這些非凡納米級特性擴充到三維塊狀結構材料仍然存在挑戰。如果能夠建造可持續的高性能散裝結構材料，必将促進CNF的發展，擴大其應用領域，并在工程設計中提供更多的材料選擇。
CNF闆具有高強度，高沖擊韌性，熱膨脹系數低，顯示出與典型聚合物、金屬和陶瓷相比的獨特和優越的性能，使其成為滿足工程要求的低成本、高性能和環保的替代品，尤其是作為航天器材料。
在極端溫度或快速熱沖擊下，CNFP還具有良好的可維護性和高能量吸收性能，并且可以以低成本實作大規模生産。
通過該政策，CNF的許多顯著納米級性能可以成功地在CNFPs上放大到宏觀水準，包括低熱膨脹系數和高強度。低熱膨脹系數是許多應用領域材料至關重要的特性，尤其是航空航天應用。
在兩種極端溫度條件之間承受120次快速熱沖擊後，CNFP仍然保持類似的機械性能。在120°和-50°C下，CNFP的彎曲強度沒有明顯變化，這對于極端環境中的實際應用至關重要。
在95%相對濕度下60小時後，CNFP的厚度和抗彎強度僅略有變化，在濕氣侵蝕下表現出良好的穩定性。
CNFP在一種材料中具有多種突出的特點，包括低熱膨脹系數，重量輕，高強度和高韌性。為了展示CNFP的整體性能，将它的特性放入兩個阿什比圖中，與不同種類的傳統結構材料進行比較。
根據這種模式，CNFP作為一種全新的材料出現，它占據了一個獨特的領域，熱膨脹系數低，高比強度，以及高比沖擊韌性。CNFP的比強度和比沖擊韌性高于傳統金屬和合金，使其成為工程設計的全綠色和高性能替代品。
單個CNF的強度和楊氏模量幾乎與鋼和凱夫拉爾一樣高，并且這些優越的納米級性能可以擴充到宏觀水準，主要是由于CNF之間的強互相作用。
CNFP中的超細納米纖維網絡結構導緻更廣泛的氫鍵，高面内取向和微纖維網絡的“三向分支點”。這些結構特征使CNFP能夠承受高應力而不會斷裂，還可以分散應力并抑制裂紋形成和裂紋擴充。
通過用不同的聚合物溶液處理CNF水凝膠表面來調整層間剪切強度。對于未經處理的CNFP-0，層之間的互相作用是氫鍵，而PVA處理的CNFP-1具有較弱的層間剪切強度，因為PVA在層之間形成的氫鍵比纖維素本身弱。
對于經矽酸溶液處理的CNFP-2，矽酸在熱壓過程中脫水并提供共價強交聯（32），與CNFP-0和CNFP-1相比，有效改善了層間互相作用。
對于CNFP-3，氧化過程在CNF表面引入了一定量的羧基。CNF的那些羧基通過鈣離子和聚丙烯酸進一步交聯。鈣離子和羧基形成強離子鍵，進一步改善層間互相作用。
核磁共振–13C和傅裡葉變換紅外光譜結果驗證了上述機理，而X射線衍射結果表明，CNFs的結晶度在預處理後沒有可見變化。通過調整層間互相作用，可以看出，當互相作用增強時，層間剪切強度和彎曲強度同時增加。
CNFP的高極限抗彎強度不伴有低沖擊韌性，這種獨特的增韌機制可以在多尺度上了解。在微觀尺度上，彎曲力開始在~20μm層之間滑動，滑動分散了應力，避免了應力集中。
在納米尺度上，界面處緊密氫鍵的CNF在層間滑動過程中從開放層中拉出，進一步分散應力并防止裂紋的産生和擴充。在分子尺度上，由于纖維素分子鍊中富含羟基，當CNFP發生變形時，CNF之間的相對滑動涉及大量的氫鍵形成，斷裂和重整。
随着界面強度的降低，層流塊體顯示了從力-位移曲線到韌性的脆性過渡。對于适當的界面強度，圖5A給出了詳細的破壞行為，其中變形能量通過界面滑動和打開而不是薄闆的脆性損傷來耗散。是以，對于CNFP，适當的界面改性可以極大地增強韌性，同時保持相當大的強度。
