[发明专利]一种仿贝壳轻质高强复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种仿贝壳轻质高强复合材料的制备方法，具体方法是(1)利用氧化还原法制得的叶状非晶‑晶体异质二氧化锰纳米片与Hummers氧化法得到的氧化石墨烯作为主要构筑单元，再结合少量的生物大分子，通过蒸发诱导自组装法制备得到高强复合薄膜材料；(2)将大量复合薄膜材料通过层‑层刷涂交联剂组装成一体，结合热压工艺得到轻质高强块体层状微纳米复合材料。本发明制备过程操作简便，工艺绿色环保，最终制得的块体复合材料强度远优于其他大多数氧化石墨烯基块体复合材料。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，更具体的说是涉及一种具备高弯曲强度和韧性的三维仿贝壳轻质高强复合材料的制备。

背景技术

具备高承载能力和三维(3D)大体积的块状轻质结构材料由于其在诸如工程建筑，航空航天等领域的广泛应用而受到研究人员的关注。而氧化石墨烯(GO)，作为一种二维的超薄石墨材料，由于其良好的水溶性，优异的力学性能以及丰富的表面官能团，已经被广泛认为是一种理想的用于组装GO基材料的微纳米基本构筑单元。但是，大尺度、高力学性能的GO基块体结构材料的制备依然是一个挑战。这主要是由于难以将GO材料从二维(2D)微纳米尺度组装至三维(3D)块体宏观尺度，且难以保证不牺牲GO的优异机械性能。其核心在于难以构筑坚固且可控的强微纳米界面来硬化氧化石墨烯构筑单元以及强化其与其他构筑单元间的交联作用。究其原因在于氧化石墨烯纳米片具有超强的柔性，从而限制了最终制得的GO基3D大体积块体材料力学性能的提升，尤其是限制了其抗弯曲强度，断裂韧性以及刚性的提升。

在自然界中，生物通过不断地进化优化使得其可以在高机械应力，疲劳和磨损的极端条件下得以生存，天然贝壳是其中最广为人知的高强度高韧性完美结合的例子之一。除了其特殊的“砖-泥”结构外，贝壳珍珠层中特有的晶体/非晶界面结构也是其优异力学性能的重要原因之一。因此，更深入地理解并模拟贝壳材料中特有的“砖-泥”结构与非晶/晶体多元复杂异质界面结构有可能为轻质高强GO基3D大体积块体复合材料的制备提供有效的途径。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非晶/晶体硬化策略来有效地克服GO本身的超柔性。具体来讲，我们首先利用纳米尺度的非晶/晶体异质相“叶状”MnO₂六角片(A/C-LMH)与GO通过Mn-O键，氢键以及分子间作用力复合，再结合聚合物基多级次界面合成交联设计以及从下而上的层层组装策略，将A/C-LMH/GO强化组装单元组装成3D大体积块体人工贝壳材料。

本发明开发了一种用于制备可应用于实际生产的高力学性能复合块体材料的协同多相设计策略。该策略操作简单，成本低且绿色环保。得益于这种协同多相设计策略，经过优化的GO基3D块体人工贝壳具有比其他GO基的块体复合材料更高的弯曲机械性能，出色的断裂韧性和抗冲击性，且材料尺寸、厚度以及微结构均可控。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿贝壳轻质高强复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)用改进的Hummers氧化法制备氧化石墨烯，用去离子水溶解配制成胶体氧化石墨烯溶液，备用；

(2)用氧化还原法制备叶状非晶/晶体异质相MnO₂六角纳米片，用去离子水溶解配制成非晶/晶体异质相MnO₂六角纳米片溶液，备用；

(3)将非晶/晶体异质相MnO₂六角纳米片溶液、氧化石墨烯溶液结合生物大分子进行搅拌混合，得到稳定的混合溶液；

(4)将步骤(3)得到的混合溶液转移进培养皿，在烘箱中于60℃下进行蒸发自组装；

(5)将组装好的复合薄膜剥离，得到高力学性能复合薄膜；

(6)将步骤(5)得到的若干数量的复合薄膜利用交联剂以层-层刷涂的方式组装成一体，热压处理，得到仿贝壳轻质高强复合材料。