[发明专利]一种具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料及其制备方法，具体步骤为：室温下将纳米陶瓷颗粒与有机粘结剂的水溶液混合形成均匀的悬浊液，而后将该悬浮液定向冷冻为固体，冷冻干燥后得到干燥试样；将该干燥试样置入马弗炉中进行煅烧，得到骨架；利用单体聚合的方法，将有机填充物与该骨架混合，程序控温，高温固化后得到具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料。制得的仿贝壳层状复合材料呈现高度有序的层层组装结构，赋予了材料更好的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种轻质高强复合材料制备技术领域，具体涉及一种具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料及其制备方法。

背景技术

随着现代社会的发展，特别是航空航天领域的飞速进步，对于材料的要求越来越高。如何在提高材料强度的同时降低材料的质量，是节约成本，提高生产效率的关键所在，同时也是材料领域研究的重点。

目前，公知的轻质高强材料主要包括轻质合金，改性陶瓷，泡沫材料以及复合材料等。其中，复合材料以其简单的制备技术，低廉的成本以及出色的性能而受到大家的广泛关注。但是，目前所发明的复合材料只是不同种类的物质掺杂而成，并无内部微结构，从而导致材料的质量减轻和强度增强效果不明显。

以贝壳为代表的软体生物材料是一种典型的轻质高强材料。它由95％～99％的晶体状无机矿物质(方解石或文石)和1％～5％的有机胶原蛋白复合而成。尽管这种陶瓷复合材料含有 95％以上的脆性碳酸钙物质，但它的断裂韧性却能达到普通纯碳酸钙物质的3000倍。贝壳这么高的断裂韧性归因于其无机矿物质和有机胶原蛋白的层层组装结构能够极大的消散材料所受到的冲击力。但是，现有技术还未能找到一种简单、方便的方法能够以微纳米陶瓷颗粒、有机粘结剂和有机填充物等为原料，制备出具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用简单易得的微纳米陶瓷颗粒、有机粘结剂和有机填充物等为原料，制备出一种具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料，并提供了一种操作简单、绿色环保的具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料的制备方法。本发明通过采取定向冻融和单体聚合的方法，制备得到了具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料。同时，本发明成功引入了规则的无机桥连结构，这进一步加强了层层之间的连接作用，显著的增加了材料的力学性能。

本发明的一种具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料，其中所述仿贝壳层状复合材料中包含有微纳米陶瓷颗粒和有机填充物；所述微纳米陶瓷颗粒是50～500纳米的氧化铝、碳化硅、氮化硅或氧化硅；所述有机填充物是工程塑料，优选氰酸酯或环氧树脂，更优选双酚 A型氰酸酯。

所述仿贝壳层状复合材料的层厚为1～5微米，层间距为5～11微米，桥连间距为5～9 微米。所述仿贝壳层状复合材料的抗弯强度为220～400MPa。

本发明还提供了一种具有规则桥连结构的仿贝壳层状复合材料的制备方法，包括下列步骤：

第一步，在20～35℃下将有机粘结剂溶于水中搅拌，得到混合均匀的无色透明溶液；所述有机粘结剂是水溶性有机聚合物；所述有机粘结剂与水的重量比为1:10至1:60；

第二步，取第一步中得到的无色透明溶液，加入微纳米陶瓷颗粒，在20～35℃下搅拌至形成均匀的白色悬浊液；所述微纳米陶瓷颗粒在无色透明溶液中的浓度范围为0.1g/ml至 0.8g/ml；

第三步，将第二步中得到的白色悬浊液倒入聚四氟乙烯模具中，然后将该模具置于铜棒的一端，铜棒的另一端浸没在液氮中，形成了定向冷冻的机制，产生冷冻试样；

液氮提供的冷冻温度为－60℃～－120℃，所述定向冷冻是沿铜棒的轴向方向；

第四步，将第三步中得到的冷冻试样放入冷冻干燥机中，在－40℃～－60℃的低温真空干燥温度下干燥40～60h，除去试样中的水得到干燥试样；