论文摘要：基于石墨烯、天然纤维仿生构筑轻质高强复合材料的研究

        自然界的生物材料及其仿生材料、绿色环保可生物降解材料在国际上引起了极大重视，如仿珍珠母层状结构。天然贝壳含有95%的无机质和5%的聚合物，并且有独特的力学强度和韧性，这归功于它的多尺度多级次结构和有机-无机界面的精巧设计。其他生物材料如蚕丝，其表面包裹了一层丝胶，可以使载荷有效的传递到蚕丝纤维上，这启发我们模仿自然界的生物结构来构筑仿生复合材料。

        那么如何利用人造材料及自然界中优异材料的设计原理，来构造仿生材料呢？

        石墨烯（Graphene）具有优越的力学、电学、热学等性能。石墨烯的衍生物，氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO），其表面的含氧官能团可进行化学交联用以提高石墨烯类复合材料的界面强度，因此GO常被用来构造仿贝壳复合材料。到目前为止，文献已经报道出多种通过对GO层进行交联来提高力学性能的例子，包括Ca2+，Mg2+离子交联、硼酸钠交联、戊二醛交联、π-π相互作用、氢键。

        在天然纤维中，莲纤维作为一种新型绿色纤维，相比其他传统天然纤维，其力学性能研究较少，利用其构造高性能绿色仿生纤维是种挑战。

于是，受天然贝壳以及茧丝这种结构与力学性能关系的启发，本文围绕仿生材料、界面设计这两点，进行了以下工作：

        1.受贝壳层状结构启发，采用真空抽滤法构筑了氧化石墨烯（GO）薄膜，并在此基础上引入长链有机分子10,12-二十五碳二炔-1-醇（PCDO）进行化学交联，进一步采用氢碘酸（HI）还原，获得了GO、还原的氧化石墨烯（rGO），GO-PCDO，rGO-PCDO四种薄膜材料，实验表明rGO-PCDO薄膜的平均拉伸强度最高，达129.6±18.5MPa，最大拉伸强度可达到156.8MPa，韧性达到了3.91±0.03 MJm-3，是天然贝壳的两倍多。其电导率高达232.29Scm-1，是rGO-PVA导电率（52.65Scm-1）的四倍。通过研究断裂形貌，阐明了仿生复合薄膜的断裂机理。

        2. 剖析了莲纤维的内部微观结构。受蚕丝复合结构的启发，利用莲纤维构筑仿蚕丝复合结构的可降解全绿色复合纤维，进一步优化了高分子在复合纤维中的含量和界面强度，获得了拉伸强度达714.34±48.51MPa，弹性模量43.35±1.25GPa的仿生复合纤维，其性能可媲美现有的植物纤维如黄麻、剑麻等。

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