[发明专利]一种高强高韧高透光率复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及纳米材料、力学、光学等技术领域，涉及一种高强高韧高透光率复合材料的制备方法。该方法以二氧化硅(SiO₂)为原料，利用双向冰模板法，得到层状SiO₂骨架，并将其与有机玻璃(PMMA)进行复合，制备一种力学性能好且透光度高的SiO₂‑PMMA玻璃。具体方法是(1)配置一定浓度的PVA和SiO₂混合浆料，经搅拌、超声分散均匀，利用冰模板法组装，真空冷冻干燥后，得到PVA‑SiO₂白色块状物；(2)将得到的PVA‑SiO₂白色块状物进行层压，通过煅烧，得到致密的SiO₂白色片体；(3)将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)进行预聚，与致密SiO₂白色片进行复合，制得SiO₂‑PMMA透明玻璃。

技术领域

本发明涉及纳米材料学、仿生学、力学等技术领域，特别涉及一种高强高韧高透光率复合材料的制备方法。

背景技术

透明材料广泛应用于生活的各个方面，玻璃是透明材料的典型代表，距今已有四千多年的历史，从古至今，玻璃始终作为日常生活、工业科技等领域的一种重要材料。玻璃具有良好的透明度、硬度以及耐久性，且物美价廉，然而，玻璃材料固有的脆性导致其耐冲击性能较差，严重制约玻璃材料在现实生活中的应用。目前除了利用回火来提高强度和抗冲击性外，就是在玻璃板中嵌入软聚合物层，形成夹层玻璃。但这些方法并不能真正地提高玻璃的断裂韧性，所以玻璃材料是否耐冲击、如何同时提高玻璃制品的强度和韧性已备受科学界关注。

自然界中软体动物贝壳最内层结构——珍珠层，是强度大、韧性好的多级复合材料的典型代表，珍珠层是由95wt％的脆性碳酸钙和5wt％的柔性有机质交错排列组成，呈现规整有序的“砖-泥”式结构，这种精妙的“砖-泥”微观结构及其独特的滑动机制，被认为是改善韧性的主要原因，使得珍珠层文石晶体的韧性远高于普通文石晶体。有报道曾测得其拉伸强度和杨氏模量分别在80～135MPa和60～70GPa范围内，除了拉伸强度外，珍珠层的断裂韧性可高达1.24kJ·m^-2(约为单片CaCO₃的3000倍)。天然珍珠层材料以其独特的高强度和高韧性组合而受到广泛关注，但是制造宏观尺度的珍珠层状复合材料仍然是一项重大挑战，因此，制备出一种珍珠层状复合材料，以解决玻璃的脆性问题，具有巨大的研究价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用双向冰模板法，以硅基玻璃主要的组成成分二氧化硅(SiO₂)为原材料，提供一种仿珍珠层结构新型玻璃的制备方法。其包括如下步骤：

第一步，在5ml 3wt％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)水溶液中，加入0.2-2.0g的二氧化硅粉末，于室温下搅拌24-36h，制得PVA-SiO₂悬浊液浆料；

第二步，将第一步得到的PVA-SiO₂混合浆料超声10-30min后，倒入内壁尺寸为20mm×20mm的聚四氟乙烯模具中，将模具置于铜棒的一端，并将铜棒放置在装有液氮的杜瓦瓶上，对浆料进行冷冻组装，然后将冷冻的浆料放置在冷冻干燥机中，真空冷冻干燥24-36h，得到干燥的PVA-SiO₂白色块状物；

第三步，将第二步得到的PVA-SiO₂白色块状物于室温下施加1-30MPa的压力，层压1-120min后，得到规整的PVA-SiO₂白色片体；

第四步，将第三步得到的层压后的PVA-SiO₂片体置于高温马弗炉内，于800℃下保温4-10h，得到致密SiO₂白色片体；

第五步，将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)以500：1的质量比，在80℃油浴中，在氮气气氛下，搅拌15-25min后冷却至室温，制得甲基丙烯酸甲酯预聚物；