冰模板法制备仿贝壳结构复合材料的机理和性能研究

Composites that are strong, tough, and lightweight are highly demanded in many strategic fields and are drawing more and more people’s interests. One of the prime examples is nacre, which is considered as a gold standard in developing bioinspired composites for its excellent combination of strength and toughness. Scientists have developed many techniques, including vacuum infiltration, layer-by-layer assembly, freeze casting (ice templating), and spraying-based methods, to fabricate nacre-mimetic composites. Among them, ice-templating is considered as an effective and powerful tool by first creating highly aligned porous scaffold and then infiltrating it with another compliant phase. Although there are some successful examples of using the freeze casting technique to make nacre-mimetic composites, we still lack of thorough understanding of the assembling process during freezing and control over porous structures, e.g., pore size, distribution and alignment. In this project, we will try to systematically study the freezing process by designing cold finger with different topological structure and properties, and utilizing polymer spheres as a model system. By understanding and controlling the ice-templating method, we are aiming to fabricate bioinspired composites with complex multiscale architectures and also superior mechanical properties.

具有轻质、高强、高韧等特点的复合材料在许多关键领域都有重要需求和应用，因此受到了人们的广泛关注。其中，仿贝壳结构复合材料因其特殊的层状“砖泥”结构和高强高韧特点成为仿生复合材料研究的经典体系。人们发展了真空抽滤法、层层自组装法、冰模板法（定向冰冻法）、喷射法等用于仿贝壳结构复合材料的制备。其中冰模板法被认为是一种有效的制备方法：首先构筑具有取向结构的多孔材料继而进行填充。尽管已有多项利用冰模板法构筑复合材料的研究，但是人们对冰模板法制备取向结构多孔材料的组装过程仍缺乏深入了解和对多孔材料多尺度结构（孔大小、分布、取向）缺乏有效调控，还无法满足制备具有复杂多尺度结构的仿生复合材料的需求。本项目拟从低温表面和组装基元两个角度出发，通过构筑不同表面结构和性质的低温表面，选用聚合物微球溶液作为模型体系，深入研究冰模板法的组装机理。并在此基础上，实现复杂多尺度结构仿生复合材料的制备和力学性能研究。

自然界中的贝壳是一种典型的轻质、高强、高韧的结构材料。其优异的力学性能使得它一直以来成为仿生结构材料领域研究的热点。在众多制备仿贝壳材料的方法中，冰模板法是一种环保、有效的方法。冰模板法利用冰晶作为模板对溶解或者分散于水中材料基元进行组装，使其定向排列，进而模仿贝壳的长程有序结构。然而，人们对冰模板法中冰晶的成核与生长过程，及其对组装基元的组装规律还缺乏深入理解，因而极大地限制了这一方法的适用范围。本项目首先研究了具有不同浸润性和微结构的冷源表面对冰模板法中冰晶成核与生长的影响，发现冷源表面特性可有效调节冰晶的取向生长方向。同时，利用聚苯乙烯微球为模型体系，研究了冰模板法结冰过程中冰水界面的微球的组装规律，发现不同冷冻速度可以对微球产生完全不同的组装效果。在此基础上，利用对冰模板法工艺参数的调控，实现了长程有序片层结构仿贝壳材料的可控制备。通过构筑长程有序结构，开发了具有超拉伸性的导电石墨烯/高分子仿贝壳结构复合薄膜、氮化硼填充高导热仿贝壳结构复合材料、自修复仿贝壳结构材料等，充分展示了利用冰模板法制备仿贝壳结构复合材料的前景。