[发明专利]一种轻量化强韧层状复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种轻量化强韧层状复合材料，属于新型轻质高强复合材料技术领域。该层状复合材料在厚度方向上具有类贝壳的有机、无机复合层状结构，有机层状结构为A/B层，通过旋涂方法获得；无机层状结构为Al₂O₃层，通过表面捞膜方法获得，该层状复合材料可以通过调整层层自组装次数来定量的调整复合材料的厚度。本发明层状复合材料的拉伸强度为130‑230MPa，模量为6.5‑16.5Gpa，断裂韧性为6.5‑15.8MJ/m³，伸长率5‑15%，可应用于轻量化技术领域。

技术领域

本发明属于新型轻质高强复合材料技术领域， 具体涉及一种轻量化强韧层状复合材料及其制备方法。

背景技术

随着环境问题的日益加重，国家政策的导向，可持续发展成为现阶段强调的重中之重。在汽车行业，目前汽车轻量化成为顺应这一时代发展的产物，汽车轻量化是在保证汽车安全性和强度的前提下，采用各种手段最大程度的降低车身重量以达到节能减排，减低环境污染的目的。目前，轻量化技术路径主要从三个方面开展，一是从新工艺上实现轻量化，二是汽车结构的设计实现汽车轻量化，第三个也是最重要的一个是开发新材料实现汽车轻量化。对于实现汽车轻量化的新材料领域，铝合金、镁合金、钛合金、高强钢、工程塑料、甚至是碳纤维都是大家相对来说较为熟悉的。目前，石墨烯、碳纳米管凭借优异的物理化学性能在汽车轻量化领域有着非常广阔的应用前景，但是相关研究尚处于初期阶段。

石墨烯是目前强度最高、最薄的新型纳米材料，固有拉伸强度高达130 GPa，弹性模量高达1.0 Tpa，目前石墨烯增强复合材料得到了广泛的研究，在高分子材料中添加少量的石墨烯就会大大的提高材料的抗拉强度。碳纳米管具有良好的力学性能，抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管若制成复合材料，有望给复合材料的性能带来极大的改善。

但是石墨烯与碳纳米管的复合材料在具有较高强度和模量的同时，往往伴随着较差的韧性和较低的应变能力，这会导致材料在应用的过程中产生破坏性的断裂现象。这主要是由于高分子链被纳米尺寸的石墨烯限域，失去了原本的柔韧性。因此，开发一种高强度高韧性的轻量化材料是本领域长期探索的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种轻量化强韧层状复合材料及其制备方法。该层状复合材料通过旋涂和表面捞膜相结合的层层自组装方法获得，具有较高的强度和韧性，有望应用到航空、车辆等需要强韧综合性能、轻量化要求的相关领域。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种轻量化强韧层状复合材料，所述层状复合材料在厚度方向上具有类贝壳的有机、无机复合层状结构；所述有机层状结构为A/B层，通过旋涂方法获得，所述A为氧化石墨烯(GO)、碳纳米管(CNT)中的任意一种，所述B为聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)中的任意一种；所述无机层状结构为Al₂O₃层，通过表面捞膜方法获得，所述Al₂O₃为经过3-氨丙基三乙氧基硅烷ATES修饰的Al₂O₃；所述A/B层以及Al₂O₃层通过层层自组装方法，获得轻量化强韧层状复合材料；所述单层A/B层的厚度为3-5μm。

本发明所述A/B层中，原料氧化石墨烯厚度为0.6-0.7nm，直径为200-600nm，原料碳纳米管直径1-2nm，长度5-30μm，原料聚乙烯醇的平均分子量为146000-186000，原料羧甲基纤维素的平均分子量为250000；所述Al₂O₃层，原料无机微米片Al₂O₃厚度为200-500nm，直径为5-12μm。

本发明所述A/B层中A所占的比重是5%-10%。