【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能材料，具体涉及一种高模量高回弹轻质材料及其制备方法。
技术介绍
1、轻质蜂窝材料具有丰富的孔隙率和高的比刚度，在结构工程、能量吸收、隔热和催化剂负载等方面有着广泛的应用。在实际应用中，高刚度是工程材料应用的前提，而弹性可回复性决定了材料的结构可靠和长期稳定。然而，由于刚度与壁厚之间的强相关性，高刚度材料厚的支柱壁易因变形时内张力的急剧增加而导致结构破坏，特别是对于脆性的无机材料。因此，高刚度单体结构在过载作用下不可避免地产生突变失效变形，且结构变形容限很小。
2、结构单元的几何设计已经成为改善轻质材料机械性能的主要策略。在传统的蜂窝结构中，小的壁厚与尺寸比是保证结构在大变形时通过面外弹性屈曲获得大的可回复性的典型特征。此外，拱状层状结构在大变形下可以很容易地转变成许多小拱，通过产生更多的弹性屈曲单元，从而表现出优异的弹性。然而，这种设计理念仅应用于低密度多孔结构，不能满足高弹性模量的应用要求。对于高刚度材料，研究人员通过精确控制晶格拓扑和组装从微观到宏观尺度的复杂分级结构已经制备了多种高模量的微/纳米晶格。八面体桁架作为一种经典的以拉伸主导的结构晶格单元，具有优于其他轻质材料的比刚度。然而，这种策略是以可回复应变低于20％为代价。到目前为止，在现有的结构范式中，高刚度和结构可回复性之间的冲突还无法解决。
技术实现思路
1、为了克服上述现有的技术缺陷，本专利技术提供了一种高模量高回弹轻质材料及其制备方法，以解决现有技术中高刚度和结构可回复性之间的冲突问题
2、一方面，本申请所述的高模量高回弹轻质材料包括孔径在100μm以上的石墨烯蜂窝孔气凝胶骨架，所述蜂窝孔气凝胶骨架的孔壁由多层石墨烯层构成，且石墨烯层间形成连续的，且沿所述孔壁取向的耗散腔，耗散腔两壁面呈拱形向外，腔体直径在30μm以下，腔体壁厚为100nm以下。其中，石墨烯气凝胶蜂窝孔骨架作为微孔组装的高机械效率结构提供高机械刚度；孔壁中具有纳米厚度的耗散腔允许沿垂直载荷方向产生较大的弹性屈曲变形，具有较强的抗变形能力，使得该材料同时具有高模量和高回弹性。在本专利技术中，耗散腔的腔体呈现类椭球形，其取向方向即为椭球形的长轴方向。耗散腔沿所述孔壁取向，是指：耗散腔的长轴方向基本沿着其所在的气凝胶骨架的孔壁方向，如图8所示。这种取向结构进一步为多个连接的耗散腔提供连续支撑和应力快速扩散通道，提高模量且避免应力集中。
3、上述的蜂窝网络到连续的耗散腔纳米壁的多尺度结构进一步表现出高电磁屏蔽效果，较好的噪声吸收和低导热系数，有利于在节能建筑、精密仪器以及先进设备等广泛的工程应用中实现多重防护潜力。
4、在本专利技术的实施例中，轻质材料密度在60-200mg·cm-3。
5、另一方面，本申请还提供上述高模量高回弹轻质材料的制备方法，包括：
6、(1)将浓度为60-200mg/g氧化石墨烯的水分散液在-18℃环境下冷冻干燥8h以上，得到蜂窝孔气凝胶骨架；高浓度的氧化石墨烯分散液保证了孔壁中氧化石墨烯组装单元的数量，-18℃的冷冻环境形成大的冰晶尺寸，最终保证了气凝胶微米级的孔壁和百微米的蜂窝孔孔径。
7、(2)将所得气凝胶放置于发泡剂溶液中进行发泡，所述的发泡剂溶液为质量分数在30％以下的水合肼溶液，发泡条件为室温，发泡时间一般为4h-12h。溶剂在提供塑性有效形成连续的耗散腔的同时避免蜂窝孔框架的破坏，发泡后经过乙醇溶剂置换并常压干燥最终得到高模量高回弹块体材料，有效的发泡手段保证了耗散腔的双拱形结构，且耗散腔连续，提供连续支撑和应力快速扩散通道。
8、进一步地，所述的氧化石墨烯可采用hummers方法、改进的hummers方法及电化学方法等进行制备。适用于本专利技术的氧化石墨烯片径大小为10～80μm。
9、进一步地，发泡后进行化学还原或热还原。所述化学还原的还原剂为氢碘酸、水合肼、维生素c、乙二胺等常用还原剂中的一种，其中优选的为氢碘酸/乙酸还原体系。
10、本专利技术的有益效果在于：
11、(1)将石墨烯耗散腔结构嵌入到冷冻干燥的骨架中，可实现杨氏模量200％的提高，可达10mpa以上，最大可回复应变达到90％，压缩60％应变1000次循环可以具有50％以上的形变回复率。
12、(2)由于冷冻干燥技术工艺成熟，因此利于实现此高模量高回弹纳米材料的大规模使用。
13、(3)所采用的溶剂塑化发泡工艺较为简单，无须特殊的干燥工艺，因此利于规模化制备。
14、(4)所制备的轻质材料具有多功能性，在2-18ghz频段屏蔽效能可达99db,在450-6000khz波段平均吸声系数可达0.66，室温下热导率最低可达26mw,因此可适用多种功能防护场所中，例如电磁屏蔽、吸声及隔热领域。
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1.一种高模量高回弹轻质材料，其特征在于，包括孔径在100μm以上的石墨烯蜂窝孔气凝胶骨架，所述蜂窝孔气凝胶骨架的孔壁由多层石墨烯层构成，且石墨烯层间形成连续的，且沿所述孔壁取向的耗散腔，耗散腔两壁面呈拱形向外，腔体直径在30μm以下，腔体壁厚为100nm以下。
2.根据权利要求1所述的高模量高回弹轻质材料，其特征在于：轻质材料密度在60-200mg·cm-3。
3.如权利要求1所述的制备方法，包括以下步骤：将浓度为60-200mg/g氧化石墨烯的水相分散液在-10℃～-30℃环境下冷冻干燥8h以上，得到蜂窝孔气凝胶骨架；将所得气凝胶放置于发泡剂溶液中进行发泡，发泡后干燥便得到了具有纳米级耗散腔壁的块体材料；所述的发泡剂溶液为质量分数在30％以下的水合肼溶液，发泡条件为室温。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯采用Hummers方法、改进的Hummers方法或电化学方法制备得到。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：发泡后进行还原。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：发泡
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：氧化石墨烯片径大小为10～80μm。
...【技术特征摘要】
1.一种高模量高回弹轻质材料，其特征在于，包括孔径在100μm以上的石墨烯蜂窝孔气凝胶骨架，所述蜂窝孔气凝胶骨架的孔壁由多层石墨烯层构成，且石墨烯层间形成连续的，且沿所述孔壁取向的耗散腔，耗散腔两壁面呈拱形向外，腔体直径在30μm以下，腔体壁厚为100nm以下。
2.根据权利要求1所述的高模量高回弹轻质材料，其特征在于：轻质材料密度在60-200mg·cm-3。
3.如权利要求1所述的制备方法，包括以下步骤：将浓度为60-200mg/g氧化石墨烯的水相分散液在-10℃～-30℃环境下冷冻干燥8h以上，得到蜂窝孔气凝胶骨架；将...
【专利技术属性】
技术研发人员：高微微，夏雨星，高超，庞凯，
申请(专利权)人：山西浙大新材料与化工研究院，
类型：发明
国别省市：
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