陶瓷纳米管阵列增强层状复合材料制备及其力学特性研究

One of the most ambitious goals in the area of materials science is the development of lightweight structural composites with high strength and high toughness simultaneously. However, strength and toughness are considered as opposite in traditional structural composites. Thus, new design strategies for lightweight, strong, and tough structural composites are in urgent demand. Natural nacre and tooth enamel exhibit excellent combination of structural and mechanical performances, because of the hierarchical heterogenous gradient reinforced structure. Inspired by the natural nacre and tooth enamel, we will take low-density and high-hardness titanium oxide (TiO2) and zirconium oxide (ZrO2) as basic blocks, and design some new kinds of structural skeletons of nanotube array, and modify or adjust their surfaces/interfaces by chemical methods. Subsequently, we will compose the modified ceramic skeletons with high mechanical-performance polymer to construct ceramic nanotube reinforced structural units as building blocks. We develop new controlled strategies for assembling the ceramic nanotube reinforced structural units, to construct ceramic nanotube array-reinforced lamellar composites. Based on our characterization methods and in-situ mechanical test system, we will analyze the surface state and the strengthening/toughening mechanisms of these artificial composites. The structure-property rules will be summarized, which will direct the construction of nanotube array-reinforced lamellar composites to optimize their mechanical properties. Finally, we will successfully prepare lightweight, strong, and tough artificial structural composites.

轻质、高强、高韧结构复合材料一直是材料科学发展的重要目标之一。然而，在传统材料中，强度和韧性被认为是相悖的性能，所以亟需新的材料设计理念来实现兼具高强的和高韧的复合材料的制备。天然贝壳和牙釉质材料显示出优异的“结构-性能”力学特性，原因在于其多级次非均相微纳米增强结构。受此启发，本项目拟以低密度、高硬度的氧化钛（TiO2），氧化锆（ZrO2）等陶瓷材料为研究对象，设计构筑几种新颖的纳米管阵列结构，并对其表界面进行化学修饰，随后将其与聚合物进行复合，形成纳米管阵列增强结构单元；开发纳米管阵列增强结构宏观尺寸可控组装新方法，获得陶瓷纳米管阵列增强层状堆叠复合材料；利用微纳米材料表征手段、原位力学测试系统，对复合材料的表界面状态以及增强增韧机制进行分析，总结“结构-性能”规律，反馈调控材料的制备，实现材料性能最优化，最终制备得到质量轻、强度大、高韧性的新型结构复合材料。

轻质、高强、高韧结构复合材料一直是材料科学发展的重要目标之一。然而，在传统材料中，轻质量、高强度、以及强韧性被认为是相悖的性能，所以亟需新的材料设计理念来实现兼具轻质、高强和高韧的复合材料的制备。天然贝壳和牙釉质材料表现出优异的“结构-性能”力学特性，原因在于其多尺度、多级次、非均相微纳米增强结构的有序构筑。受此启发，本项目以低密度、高强度、高硬度的氧化钛（TiO2）、氧化锆（ZrO2）、氧化石墨烯（GO）、羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2，HAP）、二氧化锰（MnO2）、玻璃、硅酸盐等材料为研究对象，设计构筑了（i）3种新颖的高度有序纳米阵列结构（如非晶TiO2陶瓷管（A-TNT）、非晶ZrO2陶瓷管（A-ZNT）、晶体HAP纳米片阵列），（ii）2种高度有序的片层结构（GO纳米片片层、硅酸盐片层），（iii）1种高度有序的HAP多孔陶瓷骨架结构；其次，对其结构和表界面进行优化（如表面化学修饰、相调控等），随后将这些高度有序微纳米结构与聚合物（包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）、熔融玻璃（Glass）等）进行有效复合，形成微纳米增强结构单元（如A-TNT/PMMA、A-ZNT/PMMA、GO/MnO2/rSF/SA、HAP/Glass等）；开发了2种微纳米结构增强结构宏观尺寸可控组装新方法，获得5种微纳米增强层状堆叠复合材料，并兼具质量轻、强度大、韧性高等力学特征；例如，制备的仿牙釉质（A-TNT/PMMA）n复合材料的力学性能表现出与自然牙釉质相媲美的模量（~43GPa）和硬度（~3.3GPa），特别是其损失因子为0.035，远高于人类牙釉质；制备的仿贝壳GO/MnO2基复合块体（GML）具备更高的弯曲强度（~218.4MPa）和优异的断裂韧性（~5.4MPa·m1/2），其强度几乎是纯GO的12.5倍，韧性是纯GO约40倍；耐冲击能力是纯GO样品的4倍以上，同时，具有低的密度（~1.85g·cm-3）；利用原位力学测试系统，对其的表界面状态以及增强增韧机制进行系统分析，总结 “结构-性能”变化规律，实现材料性能最优化。该项目提出的仿生强韧化设计理念和工艺有望成功用于新型的多功能防护野外防御工事的构筑（如营房、弹药库等）。