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環(huán)氧樹(shù)脂在航空航天、軌道交通和汽車(chē)工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，是一種典型的熱固性樹(shù)脂，由于環(huán)氧樹(shù)脂本身斷裂韌性較低，同時(shí)絕緣的特點(diǎn)，限制了其在高性能導(dǎo)電結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料中的進(jìn)一步應(yīng)用。

通常在環(huán)氧樹(shù)脂中添加大量導(dǎo)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(fù)合材料的電導(dǎo)率，但往往會(huì)降低其力學(xué)性能。因此，添加微量納米材料實(shí)現(xiàn)大幅度提高環(huán)氧樹(shù)脂的斷裂韌性，并賦予其高電導(dǎo)率等功能特性，仍然是環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料研究領(lǐng)域面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

近日，受天然貝殼層狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，程群峰教授課題組提出利用退火結(jié)合表面修飾的協(xié)同策略構(gòu)筑了高斷裂韌性且導(dǎo)電的MXene/環(huán)氧樹(shù)脂層狀納米復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱(chēng)為導(dǎo)電貝殼。

首先采用雙向冷凍鑄造技術(shù)，以MXene為基元材料，構(gòu)筑了MXene/羧甲基纖維素鈉（CMC）層狀骨架。通過(guò)對(duì)層狀骨架退火并進(jìn)行表面修飾，再利用真空輔助灌注環(huán)氧樹(shù)脂并固化，獲得了高斷裂韌性的導(dǎo)電貝殼。

這種仿生層狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電貝殼在保留環(huán)氧樹(shù)脂良好彎曲強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了大幅提高環(huán)氧樹(shù)脂的斷裂韌性，高達(dá)4.86 MPa m^1/2，是純環(huán)氧樹(shù)脂的8倍，顯示出優(yōu)異的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，其綜合力學(xué)性能可以與許多工程材料相媲美。

通過(guò)退火工藝提高了MXene納米片的取向度，同時(shí)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(duì)MXene納米片進(jìn)行表面修飾，通過(guò)共價(jià)鍵Ti-O-Si提高界面強(qiáng)度。通過(guò)控制CMC的含量，調(diào)控MXene納米片層間距d。當(dāng)層間距d達(dá)到2.05nm時(shí)，納米限域空間內(nèi)CMC高分子鏈的運(yùn)動(dòng)受限，MXene納米片與CMC高分子之間的相互作用達(dá)到最大。這些因素實(shí)現(xiàn)了協(xié)同效應(yīng)，從而提高了導(dǎo)電貝殼的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。

層狀骨架經(jīng)過(guò)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(qiáng)，導(dǎo)電貝殼沿取向方向的電導(dǎo)率高達(dá)1.28 S/m。由于層狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)電貝殼不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)氧納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性的自監(jiān)測(cè)，還具有優(yōu)異的電磁屏蔽效能28 dB。

這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究成果對(duì)開(kāi)發(fā)高性能高分子納米復(fù)合材料具有重要的意義，其核心是揭示了退火提高M(jìn)Xene納米片取向度和表面修飾提高界面強(qiáng)度的協(xié)同增強(qiáng)增韌機(jī)制，獲得了兼具力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的高分子納米復(fù)合材料，展現(xiàn)了裂紋自監(jiān)測(cè)和電磁屏蔽干擾的多功能應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，為開(kāi)發(fā)高性能、導(dǎo)電、耐損傷的高分子納米復(fù)合材料提供了新的途徑。