一种高强高韧性复合材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧性复合材料、制备方法及应用。自然界中贝壳主要由有机/无机的微纳米多级层层组装和协同界面作用形成，展现出了优异的韧性和力学强度。受此启发，在无机纳米片表面引入可交联非共价键的分子链，通过调控官能团的分布形成交联密度不同的强、弱多重界面结构，仿生构筑了具有高强度、高韧性的复合材料。的复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧性复合材料、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及材料加工领域，尤其是涉及一种高强高韧性复合材料、制备及应用。

技术介绍

[0002]提高材料的强度是材料研究的核心问题之一。材料强化的实质是通过引入各种缺陷阻碍错位运动，使材料难以产生塑性变形而提高强度。但材料强化的同时伴随着塑性或韧性的急剧下降，长期以来这种强韧性间对立关系成为材料领域的重大科学难题。研究和分析贝科珍珠层中形成的多级次砖
‑
泥结构，为构建与制备出高强高韧的复合材料提供了思路和方法。然而，目前主要通过多重界面作用产生的协同效应提高材料的力学性能，虽然当前的砖
‑
泥结构复合材料的强度可以达到很高的水平，但是韧性与预期仍有差距。如何同时其强度和韧性仍然是我们面临的一个重大的挑战。
[0003]目前，为了提高砖
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泥结构复合材料的力学性能，研究者们在片层界面间设计了多种作用力，如静电作用、氢键、离子键、共价键、π
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π共轭作用或多种协同作用。但是单一氢键强度相对较弱，对力学性能特别是拉伸初始模量提高非常有限。其他诸如离子键、库仑力作用等形式也都存在这一类似问题。
[0004]在纳米片层间引入多种界面相互作用，可进一步提高复合材料的力学性能。在原有MTM/PVA复合材料中加入小分子戊二醛交联剂，使羟基间发生缩醛反应形成共价键，材料的拉伸强度比未交联的提高，但使用的交联剂的链长过短，形成的交联结构会使复合材料硬化，对韧性有负面影响。长链分子交联剂在拉伸的过程中通过分子构象改变消耗更多的载荷能量，可提高材料韧性。在砖
‑
泥结构氧化石墨烯纤维层间同时引入离子键、共价键作用，载荷较小时离子键可以发挥增强效果，当载荷逐步增大，共价键起主导作用，使纤维复合材料的拉伸强度提高。然而，制备过程是先将纳米基元材料组装成砖
‑
泥结构复合材料，交联剂通过后期渗透进入纳米片层间进行反应。交联剂的渗透时间较长，且在复合材料层间分散不均匀，导致交联剂的浓度难以控制。因此，研究多重界面作用产生的协同效应对提高材料力学性能尤为重要，同时构建同时提供高剪切强度和能量耗散的多重界面结构是解决砖
‑
泥结构复合材料强韧对立的关键。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种高强高韧性砖
‑
泥结构复合材料、制备方法及应用。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种高强高韧性复合材料，所述复合材料具有砖
‑
泥结构，经聚合物改性的无机纳米片层层组装后，聚合物分子链的官能团与金属离子形成非共价键作用，构筑形成类似贝壳的砖
‑
泥结构复合材料；其中，所述复合材料中无机纳米片充当基体“砖”，无机纳米片表面的聚合物充当“泥”。
[0008]进一步地，以复合材料总重100重量份计，聚合物为5
‑
30重量份，金属离子化合物
2
‑
5重量份，无机纳米片为65
‑
93重量份。
[0009]进一步地，复合材料通过无机纳米片间高交联密度区域的强结合力，提供断裂强度；通过低交联区域的弱结合力，提供能量耗散；通过多重界面中强、弱相互作用形成协同效应；复合材料厚度为50～200um，拉伸强度大于430MPa，韧性大于20MJ/m3。
[0010]一种高强高韧性复合材料的制备方法，其制备是通过聚合物单体在无机纳米片表面原子转移自由基聚合形成接枝聚合物，在金属离子的作用下，调控无机纳米片表面聚合物官能团的分布，与金属离子以非共价键形成不同交联密度的多重界面结构材料。
[0011]进一步地，所述聚合物单体包括同时含有双键和酯基的能够进行ATRP聚合的活性单体与苯乙烯，其中，活性单体包括丙烯酸丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸正丙酯中的一种或两种以上组合；活性单体为总单体的质量分数的30％～95％。
[0012]进一步地，所述无机纳米片包括氧化石墨烯、石墨烯、蒙脱土、过渡金属二维材料(MXene)中的一种或两种以上组合。
[0013]进一步地，所述金属离子包括Fe
3+
、Fe
2+
、Ca
2+
及Zn
2+
中的一种或两种以上组合。
[0014]进一步地，制备方法具体包括以下步骤：
[0015](1)将多巴胺、2
‑
溴异丁酰溴及三乙胺在容器中混合，向容器中通氮除氧，冰浴搅拌下得到分散液；多巴胺与2
‑
溴异丁酰溴的摩尔比为1:0.5～1:1，三乙胺与2
‑
溴异丁酰溴等摩尔。
[0016](2)利用搅拌超声方法将无机纳米片配成均匀的分散液，并将其加入步骤(1)得到的分散液中，无机纳米片与多巴胺的质量比为2:1～1:1，常温下搅拌12～24h；随后将产物离心、冷冻干燥得到无机纳米片大分子引发剂；
[0017](3)将步骤(2)得到的无机纳米片大分子引发剂、引发剂配体五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜、苯乙烯、活性单体、适当溶剂混合，在引发剂的作用下使聚合物单体在无机纳米片表面聚合，随后加入三氟乙酸溶剂水解，反应结束后过滤，用溶剂和乙醇反复洗涤，真空干燥得到聚合物改性的无机纳米片，苯乙烯和活性单体总加入量为无机纳米片大分子引发剂2～5倍，苯乙烯与活性单体质量比1:9～3:1，引发剂配体五甲基二乙烯三胺的加入质量为苯乙烯和活性单体总量的2％～5％，引发剂配体五甲基二乙烯三胺与溴化亚铜的质量比为2:1，在70～90℃，反应时间6～24h，三氟乙酸与活性单体等质量；
[0018](4)采用搅拌超声方法将步骤(3)得到聚合物改性的无机纳米片分散于水中制得均匀的聚合物改性无机纳米片分散液，随后加入金属离子，搅拌均匀；
[0019](5)使用真空抽滤法，将步骤(4)得到的聚合物改性无机纳米片水分散液组装得到自支撑的高强高韧性复合材料。
[0020]进一步地，苯乙烯和活性单体总加入量为无机纳米片大分子引发剂2～3倍，苯乙烯与活性单体质量比优选1:5～1:1。
[0021]所述复合材料中无机纳米片表面的聚合物分子链通过非共价键相互作用，充当桥接无机纳米片的胶黏剂“泥”，调控官能团的分布可形成交联密度不同的多重界面作用(高密度区域结合力强，提供断裂强度；低交联区域结合力弱，提供能量耗散)，复合材料拉伸强度大于430MPa，韧性大于20MJ/m3。可应用于航空航天、电子、军事、民用工程及机械领域。
[0022]本专利技术有益的技术效果在于：
[0023](1)本专利技术在无机纳米片表面引入可非共价键交联的分子链，通过调控ATRP单体
和苯乙烯的量形成不同分子链结构，与金属离子络合后，构筑交联密度不同的多重界面结构，利用多重界面结构中强、弱相互作用的协同效应增强增韧砖
‑
泥结构复合材料；
[0024]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧性复合材料，其特征在于，所述复合材料具有砖
‑
泥结构，经聚合物改性的无机纳米片层层组装后，聚合物分子链的官能团与金属离子形成非共价键作用，构筑形成类似贝壳的砖
‑
泥结构复合材料；其中，所述复合材料中无机纳米片充当基体“砖”，无机纳米片表面的聚合物充当“泥”。2.如权利要求1所述的一种高强高韧性复合材料，其特征在于，以复合材料总重100重量份计，聚合物为5
‑
30重量份，金属离子化合物2
‑
5重量份，无机纳米片为65
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93重量份。3.如权利要求1或2所述的一种高强高韧性复合材料，其特征在于，复合材料通过无机纳米片间高交联密度区域的强结合力，提供断裂强度；通过低交联区域的弱结合力，提供能量耗散；通过多重界面中强、弱相互作用形成协同效应；复合材料厚度为50～200um，拉伸强度大于430MPa，韧性大于20MJ/m3。4.权利要求1
‑
3任一所述的一种高强高韧性复合材料的制备方法，其特征在于，其制备是通过聚合物单体在无机纳米片表面原子转移自由基聚合形成接枝聚合物，在金属离子的作用下，调控无机纳米片表面聚合物官能团的分布，与金属离子以非共价键形成不同交联密度的多重界面结构材料。5.如权利要求4所述的一种高强高韧性复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物单体包括同时含有双键和酯基的能够进行ATRP聚合的活性单体与苯乙烯，其中，活性单体包括丙烯酸丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸正丙酯中的一种或两种以上组合；活性单体为总单体的质量分数的30％～95％。6.如权利要求4所述的一种高强高韧性复合材料的制备方法，其特征在于，所述无机纳米片包括氧化石墨烯、石墨烯、蒙脱土、过渡金属二维材料中的一种或两种以上组合。7.如权利要求4所述的一种高强高韧性复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属离子包括Fe
3+
、Fe
2+
、C...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洋，张梦飞，东为富，李婷，黄晶，张旭辉，夏碧华，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：