[发明专利]一种三维仿贝壳结构材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种三维仿贝壳结构材料的制备方法，包括：芳纶纤维在溶剂中利用搅拌剥离得到芳纶纳米纤维溶解液；云母分散液与表面修饰剂、分散剂混合，得到表面修饰剂修饰的云母片悬浊液；将表面修饰剂修饰的云母片悬浊液与芳纶纳米纤维溶解液混合，得到云母‑芳纶纳米纤维分散液；采用喷涂组装法将云母‑芳纶纳米纤维分散液喷涂成复合膜；在所述复合膜上喷涂氧化锌纳米颗粒，浸润环氧树脂，层叠、热压成型得到三维仿贝壳结构材料。本发明的三维仿贝壳结构材料其弯曲应力，韧性和杨氏模量远远大于纯芳纶纳米纤维块材，同时特殊应力和特殊韧性远远大于同类型仿贝壳结构材料。此外，实现其在酸碱、高低温及辐射等严酷外界环境下各项性能的稳定性。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及一种三维仿贝壳结构材料及其制备方法。

背景技术

伴随着纳米技术的发展，仿生材料的研究和设计已经精确到纳米尺度上，通过仿生可以将纳米尺寸的结构单元组装构筑成具有多级有序结构的宏观功能材料，从而将纳米材料的独特性能在宏观尺度上充分的发挥出来，满足多种特殊和极端应用的需求，特别是贝壳优异的机械性能与其高度有序的“砖-泥”微观结构之间的关系为我们设计制备轻质、高强的材料提供了灵感和方法。三维仿贝壳结构材料在力学工程、航空航天及防弹装甲等领域都具有非常重要的实际应用价值，但目前三维仿贝壳结构材料的研究还处于起始探索阶段，仍然面临众多挑战。通过界面和结构设计与调控，构筑高性能三维仿贝壳结构材料，成为新材料研究领域的热点之一。

从实际应用角度讲，在一些严酷环境下(酸碱、辐射、高低温)会破坏三维仿贝壳的结构导致性能下降，大大地限制了其应用于实际的可行性。因此，通过新型仿贝壳结构设计和材料解决上述这些具有挑战性而又非常重要的难题将具有非常重要的研究意义。

《自然通讯》期刊2017年第八卷287页起报道了以透钙磷石，海藻酸钠和壳聚糖为原料，采用蒸发-层压联用方法制备了高强度的三维仿贝壳结构复合材料。《自然材料》期刊2014年第十三卷508页起报道了以二氧化硅微粒、氧化铝微粒、氧化铝微米片等为原料，经过球磨-冰模板-热压-注入无机成分-热压-烧结等一系列步骤最终制备了高强度的三维仿贝壳结构复合材料。此类材料虽然机械性能很优越，但材料对环境的耐受很差，同时制备方法速度相对较慢。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种三维仿贝壳结构材料的制备方法，本发明制备得到的三维仿贝壳结构材料力学性能好，耐候性好。

本发明提供了一种三维仿贝壳结构材料的制备方法，包括：

A)芳纶纤维在溶剂中，利用搅拌剥离得到芳纶纳米纤维溶解液；

云母分散液与表面修饰剂、分散剂混合，得到表面修饰剂修饰的云母片悬浊液；

B)将表面修饰剂修饰的云母片悬浊液与芳纶纳米纤维溶解液混合，得到云母-芳纶纳米纤维分散液；

C)采用喷涂组装法将云母-芳纶纳米纤维分散液喷涂成复合膜；

D)在所述复合膜上喷涂氧化锌纳米颗粒，浸润环氧树脂，层叠、热压成型得到三维仿贝壳结构材料。

优选的，步骤A)所述溶剂包括含钾的碱和二甲亚砜；所述含钾的碱包括氢氧化钾。

优选的，步骤A)所述芳纶纤维、氢氧化钾的质量g和二甲亚砜的体积L的比为(10～20)：(10～20)：(1～2)。

优选的，步骤A)所述表面修饰剂选自聚丙烯酸、聚酰亚胺、海藻酸钠和氧化石墨烯中的一种或几种；所述分散剂包括氯化钠；所述表面修饰剂的浓度为10mg/mL。

优选的，步骤A)所述云母分散液的浓度为1～10mg/mL。