環(huán)氧樹脂在航空航天、軌道交通和汽車工業(yè)中有著廣泛的應用，是一種典型的熱固性樹脂，由于環(huán)氧樹脂本身斷裂韌性較低，同時絕緣的特點，限制了其在高性能導電結構功能一體化復合材料中的進一步應用。
通常在環(huán)氧樹脂中添加大量導電納米材料，例如石墨烯、MXene等雖然可以大幅度提高環(huán)氧復合材料的電導率，但往往會降低其力學性能。因此，添加微量納米材料實現(xiàn)大幅度提高環(huán)氧樹脂的斷裂韌性，并賦予其高電導率等功能特性，仍然是環(huán)氧樹脂復合材料研究領域面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。
近日，受天然貝殼層狀結構的啟發(fā)，程群峰教授課題組提出利用退火結合表面修飾的協(xié)同策略構筑了高斷裂韌性且導電的MXene/環(huán)氧樹脂層狀納米復合材料，簡稱為導電貝殼。
首先采用雙向冷凍鑄造技術，以MXene為基元材料，構筑了MXene/羧甲基纖維素鈉（CMC）層狀骨架。通過對層狀骨架退火并進行表面修飾，再利用真空輔助灌注環(huán)氧樹脂并固化，獲得了高斷裂韌性的導電貝殼。 這種仿生層狀結構的導電貝殼在保留環(huán)氧樹脂良好彎曲強度的基礎上，實現(xiàn)了大幅提高環(huán)氧樹脂的斷裂韌性，高達4.86 MPa m1/2，是純環(huán)氧樹脂的8倍，顯示出優(yōu)異的抵抗裂紋擴展的能力，其綜合力學性能可以與許多工程材料相媲美。 通過退火工藝提高了MXene納米片的取向度，同時采用（3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（γ-MPS）偶聯(lián)劑分子對MXene納米片進行表面修飾，通過共價鍵Ti-O-Si提高界面強度。通過控制CMC的含量，調控MXene納米片層間距d。當層間距d達到2.05nm時，納米限域空間內CMC高分子鏈的運動受限，MXene納米片與CMC高分子之間的相互作用達到最大。這些因素實現(xiàn)了協(xié)同效應，從而提高了導電貝殼的彎曲強度和斷裂韌性。 層狀骨架經過退火和表面修飾后，由于MXene納米片取向度的提高和界面作用的增強，導電貝殼沿取向方向的電導率高達1.28 S/m。由于層狀結構的設計，導電貝殼不僅能夠實現(xiàn)對環(huán)氧納米復合材料結構完整性的自監(jiān)測，還具有優(yōu)異的電磁屏蔽效能28 dB。 這項開創(chuàng)性研究成果對開發(fā)高性能高分子納米復合材料具有重要的意義，其核心是揭示了退火提高MXene納米片取向度和表面修飾提高界面強度的協(xié)同增強增韌機制，獲得了兼具力學性能和導電性能的高分子納米復合材料，展現(xiàn)了裂紋自監(jiān)測和電磁屏蔽干擾的多功能應用，在航空航天領域具有潛在的應用價值，為開發(fā)高性能、導電、耐損傷的高分子納米復合材料提供了新的途徑。 論文信息 Tough and Conductive Nacre-inspired MXene/epoxy Layered Bulk Nanocomposites Huagao Wang, Rongjian Lu, Jia Yan, Jingsong Peng, Antoni P. Tomsia, Rui Liang, Guoxing Sun, Mingjie Liu, Lei Jiang, and Qunfeng Cheng Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202216874
