[发明专利]一种无机纳米纤维网络的柔性化复合结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种无机纳米纤维网络的柔性化复合结构及制备方法，该复合结构包括由无机陶瓷纳米纤维层与柔性有机高分子化合物层构成的三明治结构，无机陶瓷纳米纤维层具有由无机陶瓷纳米纤维排布形成的完整互连网络结构；在该三明治结构中，无机陶瓷纳米纤维层位于两层柔性有机高分子化合物层之间，由此构成柔性化复合结构。本发明得到的具有三明治结构的柔性化复合结构，其中的拓扑结构既能够使易碎的陶瓷纳米纤维柔性化，增强了其机械强度，保留纳米纤维高长径比和互连特性，又通过这种拓扑结构将无机陶瓷纳米纤维与有机高分子化合物的优良特性结合起来，从而得到性能良好的柔性复合结构。

技术领域

本发明属于拓扑结构功能材料领域，更具体地，涉及一种无机纳米纤维网络的柔性化复合结构及制备方法，得到的柔性纳米复合薄膜为具有无机纳米纤维网络的柔性化-有机高聚物功能复合结构。

背景技术

柔性纳米复合薄膜，是由纳米纤维材料以及柔性材料通过一定的拓扑结构所构成的功能器件。随着社会的高速发展，单一材料加工制备的薄膜性能已经无法满足业界的需求。将有机和无机材料按一定的拓扑结构组合，制备出结合物理化学性质不同的纯相材料的优点的柔性复合薄膜，对于实现高性能、小型化、柔性化、可批量生产的薄膜功能器件具有重要的意义。同时，在纳米科技的推动下，具有新奇特性的纳米结构和先进的纳米加工工艺被引入到柔性复合薄膜的研究和应用中以加速其发展，进一步扩大了材料技术的物理深度和应用范围。

为了提高柔性复合薄膜的性能，许多研究者针对复合薄膜的材质及其形貌，拓扑结构进行了有益的探索：

2013年.HaiXiong Tan等通过水热法制备了高长径比的顺电相的Ba_0.2Sr_0.8TiO₃纳米线，通过超声震荡打碎后，采用流延工艺与PVDF复合制备纳米复合材料，结果表明，当Ba_0.2Sr_0.8TiO₃纳米纤维含量为7.5vol.％时，最大储能密度较纯的PVDF可以提高近48％。2017年，北京敬一科技有限公司的龚翠萍等人利用铺膜工艺将石墨烯纳米颗粒与4，4'-氧双邻苯二甲酸酐混合制备出导电性能较好石墨烯-聚酰亚胺纳米复合薄膜。

然而，当前所采用的主流工艺，仍然存在不足之处。首先，目前工艺中，大多数是通过改变以及调节复合薄膜中介质材料或者填料含量来提高性能，但是在复合薄膜领域，复合薄膜的组成结构对功能器件的性质也具有较大的影响，而这常常未受到足够关注。其次，在薄膜储能器件与气体传感器方面，目前成熟的纳米复合薄膜工艺大多数仍然采用纳米颗粒以及与之类似的打碎纳米线。理论表明，高质量的纳米纤维网络由于其高长径比、大介质接触面积以及多孔性与纳米颗粒相比具有更好的性能。然而无机纳米纤维网络易碎，加工不便，造成了其在工业应用上的困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种无机纳米纤维网络的柔性化复合结构及制备方法，其中通过对该柔性化复合结构关键的层结构、及相应制备方法的整体流程设计等进行改进，利用高分子化合物包覆纳米纤维级联结构形成三明治拓扑结构，得到具有三明治结构的复合结构(如复合薄膜)，这种拓扑结构既能够使易碎的陶瓷纳米纤维柔性化，增强了其机械强度，保留纳米纤维高长径比和互连特性(互连即指纳米纤维之间是相互连接形成节点)，又通过这种拓扑结构将无机陶瓷纳米纤维与有机高分子化合物的优良特性结合起来，从而得到性能良好的柔性复合结构。本发明中的无机纳米纤维网络的柔性化复合结构尤其适用于应用在薄膜储能器件或气体传感器中，与其他储能器件、气体传感器相比，具备三明治结构的柔性复合薄膜更能满足业界轻质、柔性、小型化、集成化等应用需求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无机纳米纤维网络的柔性化复合结构，其特征在于，该复合结构包括由无机陶瓷纳米纤维层与柔性有机高分子化合物层构成的三明治结构，所述无机陶瓷纳米纤维层具有由无机陶瓷纳米纤维排布形成的完整互连网络结构；在该三明治结构中，所述无机陶瓷纳米纤维层位于两层所述柔性有机高分子化合物层之间，由此构成柔性化复合结构。