一种具有三明治结构的仿贝壳复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及材料领域，主要涉及一种具有三明治结构的仿贝壳复合材料的制备方法。该复合材料由氧化石墨烯、氧化铝纳米线、聚乙烯醇以及少量的戊二醛组成，通过真空辅助抽滤法进行组装，其厚度和直径乃至形状可通过真空抽滤装置进行调节。制备过程简单，普通工人便可掌握学会，而且制备出复合材料呈现出高强度和高韧性的特点，且其在酸、碱、有机溶剂中浸泡或超声也能维持良好的形貌和力学性能，可在潮湿环境中始终保持良好的自支撑性和结构稳定性，可被用作极端环境下的结构材料，其在航空航天、工程领域有着很大的应用前景。程领域有着很大的应用前景。程领域有着很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种具有三明治结构的仿贝壳复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于材料领域，涉及γ
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羟基氧化铝纳米线、非晶氧化铝纳米线、晶体
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非晶共存(双相)氧化铝纳米线、完全晶化的γ
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氧化铝纳米线的制备，特别涉及一种由该纳米线增强的具有三明治结构的仿贝壳复合材料的制备。

技术介绍

[0002]强度和韧性是结构材料的最基本属性，为评估结构材料的力学性能提供了主要参考。一般而言，强度和韧性是相悖的，高强度的材料总是表现出脆性，高韧性的材料则通常表现出低的强度。因而，开发出兼具高强度、高韧性的结构材料是工程领域目前主要的挑战之一。
[0003]经过数百万年的优胜劣汰，自然界的生物进化出几乎完美的结构和功能。因此，在过去的几十年里，大量的研究者们通过向自然学习，模仿它们的内在结构，制备出了具有不同功能的仿生材料。就结构材料而言，贝壳是其中典型的被模仿的对象。贝壳中的珍珠层由约95％的典型的脆性材料文石片(碳酸钙微米片)和约5％的有机物(蛋白质和几丁质纤维)组成，其强度与文石相当，其韧性却提高了3000多倍。基于此，珍珠层的结构和组分被研究者们进行了详细的研究，发现其超高的韧性源自文石片(砖)和有机物(泥)构筑出的独特的“砖
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泥结构”。受此启发，研究者们通过改变其中“砖”和“泥”的组分，制备出了一系列超越贝壳本身的兼具高强度、高韧性的层状复合材料。其中，氧化石墨烯(GO)由于其片状的形态、优异的机械性能以及表面具有丰富的含氧官能团成为最受欢迎的无机纳米片(充当砖)。自从第一个GO基层状复合材料通过真空抽滤的方法成功制备，许多的策略如界面交联、纳米片增强、桥连等被开发用以提高其机械性能。然而，大部分的策略或关注都集中在珍珠层中存在的层状的“砖
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泥”结构及其中的界面改性，而缺乏新颖的结构设计。因而，为了追求更高的力学性能，研究者们只能在层状结构的“砖
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泥”结构的基础上，通过寻找更强片或有机物来提高该种结构材料的机械性能，这大大限制了其应用。
[0004]对天然珍珠层的详细表征可知，其中还存在一维刚性的纳米纤维(几丁质)和陶瓷桥，它们浸没在由文石和有机物的堆叠的层状结构中，其可在珍珠层遭受破环时阻碍层状结构的滑动和裂纹的产生、扩展等。受此启发，在传统的仿贝壳复合材料中引入刚性纳米线，构筑出具有一维纳米线支撑的新颖的三明治结构是进一步提高结构材料强度和韧性的有效途径。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有结构材料强度和韧性不可兼得的难题，采用廉价的金属盐和缓冲液等为原料，通过水热法和高温煅烧获得一维氧化铝纳米线，随后将其与氧化石墨烯纳米片、有机聚合物混匀，利用真空辅助抽滤的方式，实现了一种兼具高强度和高韧性的一维陶瓷纳米线增强的具有三明治结构的仿贝壳复合材料的制备。其包括如下步骤：
[0006]第一步，配置氢氧化钠
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氨水缓冲液(氢氧化钠和氨水浓度均为2.5mol/L，且等体
积混合)17.5mL，向其中逐滴加入配置好的17.5mL无色透明的AlCl3溶液，滴加过程中保持溶液处在剧烈搅拌的状态，溶液颜色也逐渐变成乳白色的胶体。随后，在滴加完氢氧化钠
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氨水后，再继续搅拌10min；
[0007]第二步，将第一步获得的白色乳浊液转移至材质为Teflon内衬的高压反应釜中，然后将反应釜放在高温烘箱中，温度范围为160
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220℃，反应时间在12～36h；
[0008]第三步，将第二步获得的产物进行离心分离，再用乙醇、水交替洗涤各3次，去除其中杂质及残留的溶剂，然后再用超纯水将其分散并冷冻干燥，可获得白色的一维γ
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羟基氧化铝纳米线；
[0009]第四步，将第三步获得一维γ
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羟基氧化铝纳米线进行煅烧，煅烧温度为400～500℃(优选500℃)，煅烧时间在1min～360min的范围，最终根据煅烧的温度和时间的不同，可分别获得非晶氧化铝纳米线、双相氧化铝纳米线和γ
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Al2O3纳米线；
[0010]第五步，将氧化石墨烯超声分散在去离子水中并配置成2～4mg/mL氧化石墨烯(GO)分散液；取1～10mg双相氧化铝纳米线超声分散在去离子水中获得浓度为0.2～2mg/mL；称量固态的聚乙烯醇(PVA)在75℃水浴加热4h，且在搅拌情况逐渐溶解分散在去离子水中，获得浓度为2.5mg/mL的聚乙烯醇溶液；取50wt％的戊二醛分散在去离子水中，获得浓度为0.5mg/mL的戊二醛稀释液；
[0011]第六步，在第五步的基础上，将2
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20mg氧化铝纳米线加入到5mL的GO溶液中，然后搅拌12～36h，让氧化铝纳米线与GO充分混合，并让线吸附在GO表面。然后，先超声20～30min，依次向其中加入4mL的2.5mg/mL的聚乙烯醇，0.2mL的0.5mg/mL的戊二醛，再搅拌12～18h，再超声20～30min，然后通过真空辅助抽滤的方法获得氧化铝纳米线增强的具有三明治结构的仿贝壳复合材料。
[0012]在本专利技术中，没有做出特别声明的，其制备条件(如温度、湿度、仪器、材料、工艺、方法等)均是本领域常见或普通技术人员可根据本领域常规的技术容易地的获得。
[0013]在本专利技术中，未特别声明，其溶解或反应温度均为常温15～35摄氏度，常压等。
[0014]在本专利技术中，所述的氧化石墨烯是通过改进的Hummers法合成，制备方法可参考，所述石墨烯厚度均在1nm以下，横向尺寸在10～50μm，但不仅局限于此。
[0015]进一步的，本专利技术制备的γ
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羟基氧化铝纳米线长度范围在0.5～1.2μm，直径范围在25～30nm，其具体长度和直径由反应条件决定，可调。
[0016]进一步的，本专利技术制备的双相氧化铝纳米线的长度范围在0.5～1.2μm，直径范围在20～25nm，其具体长度和直径由反应条件决定，可调。
[0017]进一步的，本专利技术制备的γ
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氧化铝纳米线的长度范围在0.5～1.2μm，直径范围在20～25nm，其具体长度和直径由反应条件决定，可调。
[0018]进一步的，本专利技术制备一维双相(晶体
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非晶)氧化铝纳米线增强的具有三明治结构的GO基仿贝壳复合材料厚度由真空辅助抽滤时加入的样品的量以及砂芯抽滤装置的直径决定，横向尺寸由砂芯抽滤装置的直径决定。制备该种具有三明治结构的GO基仿贝壳复合材料的典型直径在～5cm，厚度在5～20μm，但其厚度和直径不限于此。
[0019]进一步的，第二步中的氢氧化钠优选浓度范围为0.4～0.6mol/L，氨水优选浓度为范围为0.4～0.6mol/L。
[0020]进一步的，第四步中水热过程的温度范围是180～200℃，优选的反应时间为24～
36h，它们任一组合都可以。
[0021]进一步的，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三明治结构的仿贝壳复合材料的制备方法，其特征有以下几个步骤：第一步，六水合氯化铝调试浓度范围为0.1～2mol/mL，优选浓度为0.9～1.1mol/mL；NaOH
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氨水混合液充当沉淀剂，其中氨水调试浓度范围为0.5～3.5mol/mL，NaOH溶液调试浓度范围为0.5～3.5mol/mL，这两种碱性溶液优选浓度均为2.5～2.6mol/m，最终优选浓度的将等体积的氨水和NaOH溶液充分混合，可用作沉淀剂用于沉淀氯化铝溶液中铝盐；第二步，将取17.5mL的第一步配置的优选的NaOH
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氨水混合溶液滴加到17.5mL的优选浓度氯化铝溶液中，再搅拌5～60min，然后转移至高温反应釜中140～240℃下反应12～48h。特别说明的是，加入体积根据使用反应釜的大小和需要制备样品的量等比例调控，如选用100mL的反应釜，可加入不超过40mL的优选浓度NaOH
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氨水的混合碱液和等体积的优选浓度氯化铝溶液；第三步，将第二步反应后样品中溶液去除(可采用过滤、离心等常见固液分离的手段)，然后用乙醇与去离子水交替洗涤各3次，之后再将获得产物超声分散至去离子水中然后冷冻干燥即可获得干净的白色的γ
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羟基氧化铝纳米线；第四步，将第三步获得的γ
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羟基氧化铝纳米线放置在高温炉中500℃下煅烧1
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10s，可获得非晶氧化铝纳米线，将γ
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羟基氧化铝纳米线在高温炉中500℃下煅烧1～120min可获得具有不同晶化程度的双相氧化铝纳米线，其晶化比例随时间的延长而提高，将γ
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羟基氧化铝纳米线放在高温炉中煅烧360min以上可获得完全晶化的γ
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氧化铝纳米线，以上所有的煅烧过程可在空气、氧气或惰性气体中进行；第五步，将干燥的氧化石墨烯超声或(并)搅拌分散在去离子水中获得浓度为2～10mg/mL的氧化石墨烯溶液，优选浓度为5mg/mL；将固态的聚乙烯醇加热分散在去离子水中，在60～90℃下加热并剧烈搅拌4h直至聚乙烯醇完全溶解，然后停止加热，在搅拌中让其冷却至室温待用，获得浓度为0.5～4mg/mL，优选浓度为2.5mg/mL；取50wt％的戊二醛分散在去离子水中，获得浓度为0.5mg/mL的戊二醛稀释液；第六步，在第五步的基础上，将2
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭林，赵赫威，汪少雄，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：