分级结构石墨烯仿生复合材料的设计制备与性能研究

The nacre is wear-resistent, hard and tough because of the hierarchical nano-laminate structure. This hierarchical structure is helpful to the design of bio-inspired composites. In this case the nano-platelet Graphene is used to construct hierarchical laminate structure Graphene /thermosetting polyimide/Carbon nanotube bio-inspired nanocomposite, in which Carbon nanotube/thermosetting polyimide nanocomposite is used as binding layer. The Polymerization of Monomer Reactants and Layer-by-Layer assembly method are used to prepare the bio-inspired film. The synthesis of Graphen, ability of colloidal platelets assembling, interface interaction between Graphene, thermosetting polyimide and Carbon nanotube, properties of the bio-inspired film, mainly under high temperature, space radiation and extreme conditions, will be investigated. Furthermore, the feasibility of its application in aviation, aerospace and high-speed rail industry will be discussed.

天然贝壳因为其有机/无机的纳米层状分级结构而具有优异的耐磨性、刚性和韧性，这种分级结构纳米层状对复合材料的设计有着重要的意义。本项目拟结合石墨烯的单层片状结构进行仿生设计，选用具有优异性能的耐高温碳纳米管/热固聚酰亚胺纳米复合材料作为粘结层树脂，采用单体反应聚合(Polymerization of Monomer Reactants)和逐层自组装（Layer-by-Layer assembly）方法，制备具有分级结构的石墨烯/纳米热固聚酰亚胺/碳纳米管仿生复合涂层材料。通过研究石墨烯的合成、表面处理方法、分散组装性能、粘结层碳纳米管/热固聚酰亚胺复合材料的合成、石墨烯/热固聚酰亚胺/碳纳米管界面行为、以及仿生复合涂层材料力学、耐温、防护和摩擦学等性能，尤其在高低温、空间辐照等极端环境条件下的阻隔和摩擦磨损行为，进而探讨其作为航空、航天、高速铁路等领域新型的防护性或润滑涂层材料的可能性

本项目以分级结构石墨烯仿生复合材料为研究目标，通过原位合成方法成功的制备了SiO2、Fe2O3、Al2O3、ZnO、SiC、CuO、TiO2等一系列纳米粒子修饰的还原GO纳米复合材料，并创新地将这种纳米复合材料作为整体单元应用在聚合物复合材料中，实现了“包含复合材料的复合材料”纳米分级结构材料制备。对该纳米分级结构材料的力学、摩擦以及热学性能进行了系统研究，发现了无机纳米粒子与石墨烯材料在聚合物复合材料中的协同效应，这种协同效应使聚合物复合材料的力学性能大幅提升、耐磨性能提高1个数量级以上。并且，通过建立物理模型，创新地采用有限元仿真，从微观角度进一步模拟了材料的力学性能，发现了纳米复合材料在微观尺度下的力学和摩擦学性能方面的界面作用，并进一步建立了层状仿生分级结构复合材料其力学、耐温和摩擦学性能与其组成和微结构之间的内在联系，揭示了其微观力学和摩擦学机理。该项目的实验和机理研究结果为分级仿生结构材料的研制和应用奠定了理论基础，所制备的涂层材料在航空、航天和高速铁路等领域的耐磨材料方面有广阔的应用前景。