[发明专利]一种制备超抗疲劳仿生石墨烯纳米复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种制备超抗疲劳仿生石墨烯纳米复合材料的方法，首先通过无机氧化石墨烯与多巴胺(DA)反应构建氧化石墨烯‑聚多巴胺(GO‑PDA)异质基元材料，然后加入二氯化镍(NiCl₂)溶液与聚多巴胺形成螯合结构，最后得到的均匀混合液经真空抽滤制得氧化石墨烯‑聚多巴胺‑Ni²⁺(GO‑PDA‑Ni)纳米复合材料，最后经过化学还原，制得还原氧化石墨烯‑聚多巴胺‑镍离子(rGO‑PDA‑Ni)仿生石墨烯纳米复合材料；获得的仿生石墨烯纳米复合材料不仅具有超强的抗疲劳特性，而且还具有优异的导电性能。在290MPa的拉力下，经过1.0×10⁵次周期性拉伸测试后电导率仍然达到144.5S/cm。此外，其最大强度是天然鲍鱼壳的2.1倍，最大韧性是天然鲍鱼壳的7.5倍。

技术领域

本发明涉及一种制备超抗疲劳仿生石墨烯纳米复合材料的方法，属于仿生纳米复合材料制备领域。

背景技术

日益流行的柔性电子器件要求反复变形时仍然具有较高的性能，而石墨烯具有优异的力学和电学性能，可以作为基元材料用于制备此类柔性电子器件中的功能材料，因此，将石墨烯纳米片组装成高性能的宏观纳米复合材料具有重要意义。最近，大量优异力学性能的石墨烯层状纳米复合材料已经被报道，如程群峰等人制备了超强的石墨烯-10,12-二十五碳二炔-1-醇-Ca²⁺纳米复合纤维(Adv.Mater.2016,28,2834.)，其强度可达到842.6MPa；程群峰等人还制备了超韧的石墨烯-壳聚糖纳米复合薄膜(ACS Nano 2015,9,9830.)，其韧性可达到17.7MJ/m³；Tsukruk等人制备了超坚韧的石墨烯-纳米纤维素复合薄膜(Adv.Mater.2016,28,1501.)，其模量可达169GPa。然而，这些广泛研究的性能仅仅是石墨烯纳米复合材料的静态力学性能，其作为柔性电子器件重要属性的动态抗疲劳性能却还未被研究报道。

另一方面，传统热固性聚合物纳米复合材料的疲劳性能一般可以通过简单加入填料来提升，如有机/无机微纳粒子(Polymer 2007,48,530.)，二维纳米片(Small 2010,6,179.)，一维纤维(Appl.Phys.Lett.2007,91,193109.)等。与传统聚合物纳米复合材料不同，天然鲍鱼壳作为一种有机/无机层状复合材料，其在碳酸钙片层之间精致的复合界面有利于水平和垂直两个方向同时抑制裂纹扩展，从而大幅提升其断裂韧性(Nat.Mater.2015,14,23.)。受此启发，石墨烯纳米复合材料的疲劳性能，必须通过抑制平行和垂直于石墨烯纳米片两个方向的裂纹扩展来提升，因此，合适的界面设计是实现其超抗疲劳特性的有效途径。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种制备超抗疲劳仿生石墨烯纳米复合材料的方法，不仅表现出超高的抗疲劳特性，而且具有优异的导电性能。

本发明是通过下述技术方案实现的：一种制备超抗疲劳仿生石墨烯纳米复合材料的方法，首先通过常温下超声搅拌构建GO-PDA异质基元材料和PDA-Ni²⁺螯合结构，然后利用真空抽滤法将其组装成GO-PDA-Ni纳米复合材料，最后通过HI还原恢复石墨烯二维碳平面sp²杂化的共轭结构，得到共价键和离子键协同交联的仿生石墨烯纳米复合材料，具体实现步骤如下：

(1)采用搅拌超声方法将氧化石墨烯配成均匀的氧化石墨烯水溶液；

(2)在搅拌条件下，在步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中，加入三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液和多巴胺溶液，使多巴胺与氧化石墨烯发生共价交联，构建氧化石墨烯-聚多巴胺(GO-PDA)异质基元材料；

(3)在搅拌条件下，逐滴加入二氯化镍(NiCl₂)溶液，使Ni²⁺与氧化石墨烯发生离子交联，同时聚多巴胺与Ni²⁺形成螯合结构，制得均匀分散的混合溶液；