冰模板法制备反鲍鱼壳结构高韧环氧-石墨烯纳米复合材料

来源：X一MOL资讯

近年来，仿生纳米复合材料是复合材料领域的研究热点之一。通过借鉴天然材料的特殊结构和界面特征，制备了一系列高性能的仿生纳米复合材料。近日，北京航空航天大学程群峰教授课题组通过借鉴天然鲍鱼壳的有机-无机层状交替结构，通过冰模板方法制备了具有优异韧性的反鲍鱼壳结构的环氧-石墨烯纳米复合材料。

航空航天、储能、组织工程等工程技术领域迫切需新型轻质高强和多功能结构材料。然而传统纳米复合材料增韧的一些瓶颈问题，如纳米增强材料的分散、结构调控等很难克服。天然材料中，鲍鱼壳珍珠层由于其具有独特的“砖-泥”交替层状结构，断裂韧性是其主要成分霰石的3000倍，为构筑高性能纳米复合材料提供了设计灵感。自2006年以来，冰模板技术一直被用于制备仿生结构材料，获得了一系列高性能仿鲍鱼壳结构的复合材料。

北京航空航天大学程群峰教授课题组采用冰模板法，以氧化石墨烯为基元材料，构筑了层状氧化石墨烯-海藻酸钠（GO-SA）三维骨架，通过控制冰晶生长速率优化了骨架的层间距（图1）。将骨架热还原后，渗入环氧前驱体并固化，构筑了不同环氧层厚度的仿生层状环氧-石墨烯纳米复合材料，其中环氧树脂重量含量约为99wt%，而石墨烯骨架的含量约1wt%。而天然鲍鱼壳珍珠层的无机霰石片重量含量高达96wt%（体积含量约95%），有机物重量含量约4wt%，区别于传统仿鲍鱼壳复合材料，作者称这种有机物含量远高于无机增强材料的结构为“反鲍鱼壳结构”。

图1. 冰模板法构筑和调控层状结构GO-SA骨架和反鲍鱼壳结构环氧-石墨烯纳米复合材料过程图。（a）均匀分散的GO-SA分散液；（b）构筑和调控材料结构的双向冰模板法；（c1-e1）GO-SA骨架的片层间距随着冰冻速率的提升而减小；（c2-e2）经过热处理后，得到石墨烯-海藻酸钠骨架，赋予材料导电性能；（c3-e3）将液态环氧渗入到骨架中得到不同片层厚度的反鲍鱼壳结构环氧-石墨烯纳米复合材料。

这种反鲍鱼壳结构的环氧-石墨烯纳米复合材料具有优异的断裂韧性和导电性能，其断裂韧性是纯环氧树脂基体的4.2倍（图2）。此外，利用该材料的电导率随温度变化的特性，可以有效的感应外界温度变化，实现了材料力学性能和功能的有机结合。这种反鲍鱼壳结构的环氧-石墨烯纳米复合材料在航空航天、储能、组织工程等领域具有广阔的应用前景，为多功能环氧纳米复合材料提供了全新的设计理念和制备策略。

图2. (a)反鲍鱼壳结构环氧-石墨烯纳米复合材料的断裂韧性比率远高于传统环氧纳米复合材料；(b) 20℃和80℃温度范围内，反鲍鱼壳结构材料的电阻随温度的变化表现出良好的循环稳定性，可用于温度的监测。

相关研究结果以背封面文章发表在Angewandte Chemie International Edition 期刊上（图3），文章第一作者是北京航空航天大学化学学院博士研究生黄传进，共同第一作者为博士研究生彭景淞，通讯作者为程群峰教授。

图3. 文章被选为当期背封面