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中国科大基于多尺度界面设计创制高性能仿生珍珠层

时间:2019-08-13 17:12来源:未知 作者:admin 点击:

  贝壳的珍珠层,由占次要局部的脆性碳酸钙矿物和大批的柔性聚合物形成,尽管组分简略,但其粗劣的多级构造和界面特点赋予其超出本身组分几个数量级的优良力学功能。这种在平和条件下由简略资料组分成长完成的多级结构和功能放大,使贝壳的珍珠层遭到钻研人员的高度关注。矿物粘土和石墨烯等超薄纳米片作为靠近理想和无缺点的纳米构造单元,曾经被宽泛用于构筑仿珍珠层构造复合薄膜和涂层。但是,其在构筑更具适用价值的微观尺度块体构造仿珍珠层资料方面依然极具应战,次要体现在难以设计持重可控的微/纳尺度界面来加强纳米片单元及其之间的互相衔接,进而完成对所构筑微观块材的功能强化。

  近日,中国迷信技术大学传授俞书宏团队与吴恒安课题组协作,在深化了解贝壳珍珠层的“砖-泥”层状微纳构造、多级界面特点和强韧化机制的根底上,提出了一种新型的仿生多尺度软硬双网络聚合物基界面设计谋略,结合高效的自下而上仿生组装办法,利用便宜的粘土纳米薄片胜利地制备出综合功能杰出的微观块体仿珍珠层纳米复合资料。所提出的界面设计谋略平和而灵敏,可实用于蒙脱土纳米片、石墨烯等不同二维纳米构造单元体系。相干钻研论文近日以Superior biomimetic nacreous bulk nanocomposites by a multiscale soft-rigid dual-network interfacial design strategy 为题宣布于Cell Press旗下的资料学期刊Matter上(Matter 2019, 1, 412–427),论文第一作者为博士生陈思铭、副钻研员高怀岭和博士生孙晓昊。

  钻研人员以便宜的蒙脱土纳米薄片(MTM)为组装“砖块”、以刚性酚醛树脂高分子(resol)和柔性聚乙烯醇分子(PVA)的复合组分为界面协同“粘结剂”(图1a),经过红外光谱、热重、原子力显微镜技术、拉伸加载、分子能源学模仿等表征手段零碎验证了组分间的氢键、物理互穿缠结等方式的互相作用,进而采纳“蒸发自组装-层压”联用技术构筑了所设计的仿生珍珠层复合块材,并证实了该微纳多尺度双网络界面设计对最终资料微观功能的奉献。在溶液蒸发诱导自组装进程中,MTM和聚合物自组装成为有序的层状“砖-泥”构造,由锚定在MTM之间,经过氢键和物理互穿缠结作用构成的软硬双网络聚合物(刚性resol与柔性PVA)充任纳米尺度的粘结界面(图1b)。经过进一步利用该软硬双网络组分调控宏观尺度膜间的粘合界面,并将薄膜层压(图1b),最终制得微观尺度的仿珍珠层构造纳米复合块材(图1c)。从图1d, e中能够看出,该仿生构造资料体现出优雅的裂纹偏转和纳米片抽出等景象,标明其明显的韧化行为。

  钻研人员经过调理纳米尺度薄片间以及微米尺度薄膜间的软硬双网络构造界面,能够精确调控并优化所设计仿生块材的力学功能。得益于这种新鲜的协同界面加强战略,所优化构筑的仿生块材展示出明显的力学加强效率(~80%),优于许多已报道的仿珍珠层构造资料,如功能优良的氧化铝陶瓷基仿生构造资料(图2a, b)。此外,因为刚性resol分子网络可以抵制肯定的低温,界面优化后的仿生复合资料还体现出优良的热稳固性,被火焰熄灭107s依然能维持根本状态,既不会被低温熔化滴落,也不会卷曲变形(图2c-e)。

  同时,除热稳固性外,所优化构筑的仿生复合资料还具备抵制湿气的才能,这是由于刚性resol网络对湿气不敏感。因为MTM和PVA的吸水属性,该二元纳米复合资料在高湿度条件下(~94% RH)相比惯例湿度条件(~40% RH),其强度和模量辨别骤减了265.7%和215.0%。当在该二元体系中引入大批(~10 wt.%)resol分子构建软硬双网络界面后,三元复合资料展示了显著的抗湿才能,其功能衰减(197.2%和145.5%)远低于仅含软界面的二元体系,这反映了resol网络可以无效克制MTM及PVA的塑化滑移。该界面设计谋略也实用于强化石墨烯基纳米复合体系,界面优化后的石墨烯基三元复合膜相比惯例二元复合膜,其强度和模量辨别从45 MPa和3 GPa被晋升至200 MPa和18 GPa。 (责任编辑:小惠)

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