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【石墨烯】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
出处:X一MOL资讯  录入日期:2019-08-20  点击数:188

  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


  原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

 


  Ultra‐Tough Inverse Artificial Nacre Based on Epoxy‐Graphene by Freeze‐Casting
  Chuanjin Huang+, Jingsong Peng+, Sijie Wan, Yi Du, Shixue Dou, Hanoch Daniel Wagner, Antoni P. Tomsia, Lei Jiang, Qunfeng Cheng*
  Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7636-7640, DOI: 10.1002/anie.201902410 (back cover)
  程群峰教授简介

 

 


  程群峰,北京航空航天大学化学学院,教授,博士生导师,2003年获河南大学学士学位,2008年获浙江大学高分子化学与物理博士学位,后分别在清华大学、美国佛罗里达州立大学从事博士后研究。2010年就职于北京航空航天大学化学学院,2016年入选教育部青年长江学者,2016年获中国化学会青年化学奖,2015年获国家优秀青年基金资助,2014年获第十四届霍英东基金资助,2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”和“北京市科技新星”。主要学术贡献:围绕纳米复合材料的“界面作用及协同效应”这一关键科学问题,通过设计和构筑不同界面类型,实现了增强增韧的协同效应,提出了一种仿生构筑高强、高韧纳米复合材料的普适性策略,取得了一系列研究进展,发表SCI论文73篇,含2篇Matter, 1篇PNAS, 1篇Acc. Chem. Res.,2篇Chem. Soc. Rev.,6篇Angew. Chem., Int. Ed.,6篇Adv. Mater.,其中影响因子>10的论文30篇,论文引用3300余次,H因子30,授权中国专利12项,部分研究成果被Nature选为研究亮点报道、人民日报头版报道。担任国际材料领域期刊《Materials Science and Engineering-C》编辑。
  程群峰
  https://www.x-mol.com/university/faculty/19046
  课题组网站链接
  http://chengresearch.net/zh/home-cn/
  文章来源: X一MOL资讯

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