● 摘要
在科技日新月异的今天，随着人们对材料的不断深入开发，传统材料领域中的主角金属，陶瓷以及塑料都已达到其性能的极限，因此设计新材料以满足不同工程领域的需要成为当务之急。早期研究表明，相比由单一成分构成的材料，复合材料展现出更优越的性能。其中，有机-无机复合材料由于其独特的性能吸引了广大科研工作者的研究兴趣。为了适应不同的生长环境，自然界的生物在长期的进化过程中产生了大量令人惊叹的生物复合结构。在这些结构各异的生物材料中，贝壳珍珠层的“砖泥”结构（brick-and-mortar structures）展现出优异的机械性能。在轻质高强材料领域，贝壳珍珠层的结构成为仿生材料研究的热点。在纳米材料领域，随着研究技术的不断深入，科研工作者可以在纳米尺度上实现对材料形貌及尺寸的可控合成。这些技术为利用无机纳米材料作为结构单元进行仿生材料制备提供了便利的条件。在结构单元选择中，二维纳米材料作为结构单元可以更好的对贝壳珍珠层结构进行模拟合成。此外，在选择结构单元时，可以得到高度有序自组装结构的结构单元通常是优先考虑的对象。除了无机材料特殊的排列方式之外，材料织构方式也要纳入考虑范围，如沿特定方向的择优取向组装可以提高组装结构材料的性能。本论文采用三水铝矿（γ-Al(OH)3）作为原料，实现其快速合成，得到尺寸可控的纳米片，并以此为结构单元，制备了织构化纳米复合材料。运用透射电子显微镜（TEM），扫描电子显微镜（SEM），原子力显微镜（AFM），X射线衍射（XRD），Brunauer-Emmett-Teller (BET)比表面积测试，傅里叶红外光谱（FTIR），热重分析（TGA），瞬变平面热源（TPS）和纳米压痕等技术手段对材料的尺寸、晶相转变、织构和性能进行了表征和研究。首先，成功开发了一种以烷醇铝（仲丁醇铝）作为前体快速合成胶体γ-Al(OH)3 的技术。预加热技术（preheating step）的引入加速了前体溶解过程，由此极大缩短了反应时间。实验证明：反应体系中酸的浓度是控制材料尺寸均一的影响因素。此种方法成功实现通过晶种法对γ-Al(OH)3纳米片的可控合成。使用单醇盐作为反应前体可以极大提高成核速度，从而实现在较宽尺寸范围内对纳米片尺寸的快速控制（仅通过三步生长可达到微米尺寸）。得到的纳米片可以很容易地组装成为液晶态物质。通过脱羟基作用处理，进一步研究了γ-Al(OH)3向氧化铝的转变过程。γ-Al(OH)3纳米片的脱水过程历经由γ-Al(OH)3→ χ- → κ- → α-氧化铝的转化过程。在900°C下加热近六边形纳米片确认了γ-Al(OH)3向α-氧化铝的转变，在此过程中，六边形纳米片的形貌没有发生变化。随着温度的提高，纳米片形貌被破坏，转化成为手指状α-氧化铝纳米晶体。此外，在热分解过程中还得到热稳定性好，比表面积大的χ-氧化铝纳米片。在废水处理过程中，γ-Al(OH)3纳米片可以有效地吸附甲基橙。通过真空抽滤沉积法，以γ-Al(OH)3纳米片为组成结构单元，成功制备了几百微米厚，有机物含量较低的γ-Al(OH)3纳米片/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）插层仿贝壳珍珠层的自组装结构，并探讨了γ-Al(OH)3纳米片作为结构单元组装成高度有序的柱状相（columnar phase）的组装机理。通过沉积得到的组装薄膜显示为沿（001）方向的织构形貌。当在组装结构中掺入2%wt的有机物后，其力学测试结果表明，得到的聚合物-无机材料插层组装薄膜的弹性模量是纯无机材料插层组装结构的2倍。γ-Al(OH)3纳米片/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）插层仿贝壳珍珠层自组装结构的热导率与常规保温建筑材料具有可比性。另一方面，我们也发现单体尺寸大于1μm的γ-Al(OH)3纳米片很难组装出仿贝壳珍珠层的自组装结构。通过我们对γ-Al(OH)3向α-氧化铝的转变过程及机理的研究，我们成功利用煅烧方法将沿（001）方向织构的γ-Al(OH)3纳米片自组装结构转变为沿（001）方向织构的α-氧化铝组装结构，并保持组装单体六边形形貌不变。通过提高温度和延长煅烧时间，组装结构的密度，形成的层间桥结构和织构化都得以增强
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