仿贝壳构建强韧一体化层状多尺度复合材料

Both strength and toughness are vital for most load-bearing composites. Unfortunately, the two properties are generally mutually exclusive. Natural nacre possesses a unique combination of remarkable strength and toughness, which is attributed to its layered multiscale structure. CaCO3 submicron platelet and compound of protein-nanofibrillar chitin are alternately stacked. Soft protein effectively connects CaCO3 platelet and nanofibrillar chitin. Reported inorganic platelet/polymer layered composites in literatures are often difficult to possess high strength and toughness simultaneously. Inspired by the intrinsic relationship between layered multiscale structure and mechanical property of nacre, we, for the first time, propose to construct inorganic submicron platelet/nanofiber/polymer and inorganic submicron platelet/nanoplatelet/polymer layered multiscale composites by layer-by-layer deposition. It is expected that such layered multiscale composites would realize the integration of high strength and toughness. Furthermore, we will in situ observe crack extension and study layered multiscale strengthening and toughening mechanisms. We believe that these will provide a new route to develop composites with excellent strength and toughness.

对于大多数承载复合材料，强度和韧性至关重要。不幸地是，这两个性质通常相互排斥。天然贝壳同时具有非凡的强度和韧性，这主要归因于其层状多尺度结构，CaCO3亚微米片和蛋白质-甲壳素纳米纤维复合物交替堆叠，软的蛋白质将CaCO3亚微米片和甲壳素纳米纤维有效地粘结。文献报道的无机片/聚合物层状单尺度复合材料往往难以兼具高强度和高韧性。受贝壳层状多尺度结构和力学性质之间固有关系的启发，我们首次提出通过层层沉积构建无机亚微米片/纳米纤维/聚合物和无机亚微米片/纳米片/聚合物层状多尺度复合材料，期望这些层状多尺度复合材料实现高强度和高韧性的集成。而且，我们将原位观察裂纹扩展过程，研究层状多尺度增强增韧机理。我们相信这将为今后发展强韧一体化的复合材料提供新思路。

天然贝壳复杂有序的层状结构赋予其优异的模量、强度、韧性和水下超疏油性能，为设计力学性能优异的功能材料提供了一个经典模型。本项目取得的成果如下：1）仿照贝壳的多尺度层状结构，制备氧化铝微米片/氧化石墨烯纳米片/聚乙烯醇层状多尺度复合材料，该层状多尺度结构显示出最佳地强度和韧性，优于层状单尺度复合材料；2）仿照贝壳的层状结构，基于小尺寸粘土片，制备粘土/聚乙烯醇层状复合材料，取得高透明度（90%）和高韧性（10.6 MJ/m3）；3）仿照贝壳的层状结构，制备离子交联的层状双氢氧化物/海藻酸钠层状复合材料，取得了优异的强度（194 MPa）; 4）仿照贝壳的粗糙片层状结构，制备粗糙二氧化硅片/聚乙烯醇层状纳米复合材料，证实粗糙片表面的纳米凸起结构控制片的滑移，有利于提高其在动态载荷下的能量耗散能力；5）仿照贝壳的表面柱状-内部层状结构，制备表面柱状-内部层状的粘土/羟乙基纤维素纳米复合材料，取得了超稳定的水下超疏油低粘附性能，解决了超浸润界面材料耐用性差的难题；6）仿照贝壳的表面柱状-内部层状结构，制备表面粗糙-内部层状的粘土/聚异丙基丙烯酰胺多孔层状水凝胶，显示稳定的水下超疏油低粘附性能，实现高效率（99.9%）分离油水混合物；7）仿照贝壳的多级次层状结构，制备石墨烯/粘土/聚异丙基丙烯酰胺多级次层状纳米复合水凝胶，实现高模量（2.52 MPa）、高强度(0.69 MPa)、高韧性(3.5 MJ/m3)和高导电性(2.6×10-3 S/m)的集成；8) 创造一系列石墨烯/粘土/聚异丙基丙烯酰胺非対称层状水凝胶驱动器，实现温度响应的超快(1秒)、可逆、多种可控地变形，可用于水下机器人和温度报警快关； 9) 开发一种独特的球磨液相剥离技术，可快速、高产率、低成本、大规模地生产寡层、无缺陷石墨烯分散液，将该石墨烯分散液进一步加工成高密度层状石墨烯薄膜，显示出超高的电导率和超高的热导率(2231 S/cm、1529 W/mK)，超过了当时文献报道的所有石墨烯薄膜，可用于高功率电子器件的热管理。