基于微-納米結(jié)構(gòu)單元的有序組裝制備仿生結(jié)構(gòu)功能復(fù)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(zhì)的納米材料在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。目前,利用先進(jìn)的組裝技術(shù),將微納功能結(jié)構(gòu)單元集合成具有多級微納結(jié)構(gòu)的宏觀塊材是納米材料應(yīng)用研究的重要方向。通過微納結(jié)構(gòu)功能單元有序的組裝,這些納米結(jié)構(gòu)單元的新穎性質(zhì)在宏觀塊材中不僅能夠得到了保留,而且還通過各個結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)同和復(fù)合展現(xiàn)出多重性質(zhì)和特殊功能。另一方面,仿生微納結(jié)構(gòu)材料的研究表明,在宏觀尺度的人工塊材中設(shè)計和仿造生

2、物的多級微納結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化和提高材料的整體性質(zhì)。在多級微納結(jié)構(gòu)材料的設(shè)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(jié)構(gòu)的珍珠母層,骨骼的多級“纖維板層”結(jié)構(gòu),木材的“多孔”結(jié)構(gòu),開心果殼以及仙人掌刺的“帶狀復(fù)合板層”結(jié)構(gòu),海綿的“三維網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu),等等。
　　 本論文將集中闡述基于仿生微納結(jié)構(gòu)模型和微納結(jié)構(gòu)單元的合成與組裝制備多功能微納結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。首先通過對生物材料的多級結(jié)構(gòu)和組成單元的分析,尋找和設(shè)計

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

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(jī)組裝單元的高強(qiáng)、透光的類珍珠母結(jié)構(gòu)的功能性雜化薄膜。此類薄膜具有類似珍珠母的層狀微結(jié)構(gòu),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(jī)無機(jī)雜化薄膜非常透明,并且光學(xué)性質(zhì)可以通過使用不同的板塊狀結(jié)構(gòu)單元來調(diào)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(jié)構(gòu)的有機(jī)無機(jī)雜化薄膜。此工作中,我們設(shè)計了一套粘土-殼聚糖雜化構(gòu)筑單元自組裝流程成功制備了具有珍珠母結(jié)構(gòu)的有機(jī)無機(jī)生物納米復(fù)合薄膜。所制得的薄膜拉伸強(qiáng)度可以達(dá)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

6、組裝成珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜,在取得一定機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,擴(kuò)展此類雜化薄膜的功能和應(yīng)用。
　　 3.圍繞二維納米結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯(GO)設(shè)計和制備了具有珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷-石墨烯功能性復(fù)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(jié)構(gòu)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(fù)合薄膜上設(shè)計光導(dǎo)圖案。首先,高質(zhì)

7、量的GO/PDDA/TiO復(fù)合膜通過層層組裝技術(shù)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(fù)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(dāng)?shù)臅r間,在光照區(qū)域形成具有光導(dǎo)性質(zhì)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(qū)物。然后將得到的GO-介孔氧化硅前驅(qū)物雜化納米片粉末放入模具,經(jīng)過熱壓得到還原型石墨烯(RGO)-介孔氧化硅納米復(fù)合塊材。制得的RGO-介孔氧化硅納米復(fù)合塊材具有介

8、孔氧化硅連接RGO納米片的層狀微觀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出輕質(zhì),高強(qiáng)和導(dǎo)電的多重性質(zhì)。
　　 4.以水熱反應(yīng)合成的Ag@聚乙烯醇(PVA)三維仿海綿網(wǎng)絡(luò)為模板成功制備了宏觀尺度的類海綿狀彈性導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)材料,由于其多孔性,高比表面,輕質(zhì),和優(yōu)越的機(jī)械性能,受到了材料學(xué)家的廣泛關(guān)注。我們在以往合成Ag@PVA同軸微電纜的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn),合成了自支撐的Ag@PVA同軸電纜的三維網(wǎng)絡(luò)海綿結(jié)構(gòu)。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(dǎo)體。通過這種模板法制備得到的彈性導(dǎo)體表現(xiàn)出良好的彈性,高的導(dǎo)電性(導(dǎo)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(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)中,形成具有更高彈性模量的導(dǎo)電復(fù)合塊材。
　　 5.作為大量有效合成特殊納米結(jié)構(gòu)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(jī)-無機(jī)雜化納米材料,并以納米雜化材料為前驅(qū)物制備了