冰模板法製備仿貝殼結構複合材料的機理和性能研究

《冰模板法製備仿貝殼結構複合材料的機理和性能研究》是依託浙江大學，由柏浩擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：冰模板法製備仿貝殼結構複合材料的機理和性能研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：柏浩
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

具有輕質、高強、高韌等特點的複合材料在許多關鍵領域都有重要需求和套用，因此受到了人們的廣泛關注。其中，仿貝殼結構複合材料因其特殊的層狀“磚泥”結構和高強高韌特點成為仿生複合材料研究的經典體系。人們發展了真空抽濾法、層層自組裝法、冰模板法（定向冰凍法）、噴射法等用於仿貝殼結構複合材料的製備。其中冰模板法被認為是一種有效的製備方法：首先構築具有取向結構的多孔材料繼而進行填充。儘管已有多項利用冰模板法構築複合材料的研究，但是人們對冰模板法製備取向結構多孔材料的組裝過程仍缺乏深入了解和對多孔材料多尺度結構（孔大小、分布、取向）缺乏有效調控，還無法滿足製備具有複雜多尺度結構的仿生複合材料的需求。本項目擬從低溫表面和組裝基元兩個角度出發，通過構築不同表面結構和性質的低溫表面，選用聚合物微球溶液作為模型體系，深入研究冰模板法的組裝機理。並在此基礎上，實現複雜多尺度結構仿生複合材料的製備和力學性能研究。

結題摘要

自然界中的貝殼是一種典型的輕質、高強、高韌的結構材料。其優異的力學性能使得它一直以來成為仿生結構材料領域研究的熱點。在眾多製備仿貝殼材料的方法中，冰模板法是一種環保、有效的方法。冰模板法利用冰晶作為模板對溶解或者分散於水中材料基元進行組裝，使其定向排列，進而模仿貝殼的長程有序結構。然而，人們對冰模板法中冰晶的成核與生長過程，及其對組裝基元的組裝規律還缺乏深入理解，因而極大地限制了這一方法的適用範圍。本項目首先研究了具有不同浸潤性和微結構的冷源表面對冰模板法中冰晶成核與生長的影響，發現冷源表面特性可有效調節冰晶的取向生長方向。同時，利用聚苯乙烯微球為模型體系，研究了冰模板法結冰過程中冰水界面的微球的組裝規律，發現不同冷凍速度可以對微球產生完全不同的組裝效果。在此基礎上，利用對冰模板法工藝參數的調控，實現了長程有序片層結構仿貝殼材料的可控制備。通過構築長程有序結構，開發了具有超拉伸性的導電石墨烯/高分子仿貝殼結構複合薄膜、氮化硼填充高導熱仿貝殼結構複合材料、自修復仿貝殼結構材料等，充分展示了利用冰模板法製備仿貝殼結構複合材料的前景。