基于微-納米結構單元的有序組裝制備仿生結構功能復合材料.pdf

1、在納米材料合成日趨成熟的背景下,如何使得這些具有新穎性質的納米材料在實際應用中發(fā)揮作用是當前面臨的挑戰(zhàn)之一。目前,利用先進的組裝技術,將微納功能結構單元集合成具有多級微納結構的宏觀塊材是納米材料應用研究的重要方向。通過微納結構功能單元有序的組裝,這些納米結構單元的新穎性質在宏觀塊材中不僅能夠得到了保留,而且還通過各個結構單元之間的協(xié)同和復合展現(xiàn)出多重性質和特殊功能。另一方面,仿生微納結構材料的研究表明,在宏觀尺度的人工塊材中設計和仿造生

2、物的多級微納結構能夠優(yōu)化和提高材料的整體性質。在多級微納結構材料的設計和制備上,自然界給予了我們很多啟發(fā)和模型。比如,具有“磚-泥”微納層狀結構的珍珠母層,骨骼的多級“纖維板層”結構,木材的“多孔”結構,開心果殼以及仙人掌刺的“帶狀復合板層”結構,海綿的“三維網絡”結構,等等。
　　 本論文將集中闡述基于仿生微納結構模型和微納結構單元的合成與組裝制備多功能微納結構復合材料。首先通過對生物材料的多級結構和組成單元的分析,尋找和設計

3、合適的人工微納結構組裝單元;然后大量合成具有特殊形貌的微納結構功能材料,如一維纖維狀結構材料,二維片狀或板狀結構材料;最后利用先進的組裝技術將合成得到的微納結構單元與聚合物復合制得功能性的微納結構復合薄膜和塊材,并研究這些宏觀材料優(yōu)越的力學性質,特殊的光,電學性質,以及性質之間的協(xié)同和關聯(lián)。所取得的主要研究結果總結如下:
　　 1.成功制備了仿珍珠母層狀結構的無機微納板材聚合物高強功能性雜化薄膜。在本工作中,我們以珍珠母層狀結構

4、為模型,首先大量合成了具有板狀形貌的雙層氫氧化物(LDHs)和沸石(zeolites),然后通過界面組裝和旋涂層層組裝的方法得到了一系列的以LDHs或zeolites微米板為無機組裝單元的高強、透光的類珍珠母結構的功能性雜化薄膜。此類薄膜具有類似珍珠母的層狀微結構,在抗拉伸方面表現(xiàn)優(yōu)異,可以同天然貝殼媲美。更有趣的是,此類有機無機雜化薄膜非常透明,并且光學性質可以通過使用不同的板塊狀結構單元來調控。
　　 2.利用天然粘土和生物

5、大分子殼聚糖的自組裝成功制備了仿珍珠母結構的有機無機雜化薄膜。此工作中,我們設計了一套粘土-殼聚糖雜化構筑單元自組裝流程成功制備了具有珍珠母結構的有機無機生物納米復合薄膜。所制得的薄膜拉伸強度可以達到100MPa,具有良好的透光性,并且能在水中變得更加透明。更有意思的是,此類薄膜在抗火性上有良好表現(xiàn),整體結構不會被破壞。另外,還通過原位生長法,在粘土-殼聚糖雜化納米片表面修飾一層均勻的金納米顆粒。然后再將修飾金納米顆粒的二維雜化納米結構

6、組裝成珍珠母層狀結構的復合薄膜,在取得一定機械強度的基礎上,擴展此類雜化薄膜的功能和應用。
　　 3.圍繞二維納米結構的氧化石墨烯(GO)設計和制備了具有珍珠母層狀結構的陶瓷-石墨烯功能性復合薄膜和塊材。(1).以二氧化鈦(TiO)和氧化石墨烯(GO)納米片作為功能性結構單元,我們可以通過TiO納米薄片光還原GO成為還原型石墨烯(RGO)直接在GO/聚二烯丙基二甲基銨(PDDA)/TiO層層組裝復合薄膜上設計光導圖案。首先,高質

7、量的GO/PDDA/TiO復合膜通過層層組裝技術在玻璃襯底上交替浸涂GO、PDDA和TiO納米薄片而得到。然后將復合膜在裝備刻有圖樣的鋁箔為遮光板的條件下用300W的Xe燈照射適當?shù)臅r間,在光照區(qū)域形成具有光導性質的圖案。(2).以GO為模板,在其表面包覆一層介孔氧化硅的前驅物。然后將得到的GO-介孔氧化硅前驅物雜化納米片粉末放入模具,經過熱壓得到還原型石墨烯(RGO)-介孔氧化硅納米復合塊材。制得的RGO-介孔氧化硅納米復合塊材具有介

8、孔氧化硅連接RGO納米片的層狀微觀結構,表現(xiàn)出輕質,高強和導電的多重性質。
　　 4.以水熱反應合成的Ag@聚乙烯醇(PVA)三維仿海綿網絡為模板成功制備了宏觀尺度的類海綿狀彈性導體。由相互搭接的一維納米材料組成的類似海綿體的三維網絡材料,由于其多孔性,高比表面,輕質,和優(yōu)越的機械性能,受到了材料學家的廣泛關注。我們在以往合成Ag@PVA同軸微電纜的基礎上,進一步改進實驗,合成了自支撐的Ag@PVA同軸電纜的三維網絡海綿結構。將

9、Ag@PVA同軸電纜海綿體在惰性氣氛下碳化,得到Ag-C納米電纜和C納米管組成的三維彈性導體。通過這種模板法制備得到的彈性導體表現(xiàn)出良好的彈性,高的導電性(導電率為1.28S·m-1),和很好的壓縮循環(huán)性。另外,硅樹脂還能填充到制得的彈性導體網絡中,形成具有更高彈性模量的導電復合塊材。
　　 5.作為大量有效合成特殊納米結構材料的普適方法,以小分子胺為模板合成一系列規(guī)整形貌的有機-無機雜化納米材料,并以納米雜化材料為前驅物制備了