● 摘要
人类在复合材料领域已经取得了巨大的成就，但是由于人造复合材料在微观结构方面还没有达到像自然生物结构一样的微观有序级次结构，因此难以进一步提升复合材料的各项性能。自然生物经过千亿年的优胜劣汰，最终保留下来了极具竞争力的形态结构以及各项性能。自然界的贝壳便是这一结构与性能完美结合的典型代表。贝壳主要由脆性的霰石碳酸钙无机片层构成，体积分数占95%，然而它通过与占5%体积分数的有机生物蛋白相结合，成功组装成具有多级次、多尺度的微纳米层状结构，这一特殊结构，赋予了贝壳高强度和高韧性。根据贝壳多尺度多级次的微纳米层状结构和特殊的界面作用赋予其优异机械性能这一现象，我们可以利用仿生这一理念构筑高性能复合材料。对于仿生结构材料的设计，关键在于基元组分的选择和界面性质的设计。
近年来，碳纳米材料的研究相当活跃。而石墨烯（Graphene）、碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT），由于其优异的力学，电学，热学以及光学性能，成为研究的焦点。氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）是石墨烯的衍生物，它具有优异的性能，同时，在它的表面和边缘含有丰富的含氧官能团，可以通过与其他有机无机材料相互作用来提高界面强度。通常，界面作用的设计有共价作用，氢键作用，π-π作用以及离子交联等。到目前为止，有很多关于GO与其他材料发生界面作用以增强力学性能的报道，如GO 与聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）之间的氢键作用，与二价的Mg2+、Ca2+之间的离子作用，与硼酸盐、戊二醛（Glutaraldehyde, GA）之间的共价交联作用等。但是，GO的潜能还没有完全开发，GO和CNT复合之后，二者之间存在协同作用，其界面存在π-π共轭。同时，由于GO和CNT的独特结构，促使GO-CNT三维网络的形成，从而实现性能的提升，而利用这种高性能复合材料作为无机增强相来构筑仿生层状复合材料有深远意义。所以，本设计从仿生，界面作用以及协同作用出发，主要完成了以下工作：
1）受贝壳多尺度多级次的微纳米层状结构和特殊的界面作用赋予其优异机械性能启发，构筑基于氧化石墨烯的强韧一体化仿贝壳层状复合材料，选择多巴胺（Dopamine, DA）作为有机相，通过GO与DA之间的共价交联反应提高界面作用，从而实现复合材料性能的提升，并通过各项测试表征复合材料的各项性能。2）选择GO/CNT作为无机增强相，利用GO/CNT之间的协同作用，构筑三维网络，通过与长链高分子10,12-二十五碳二炔-1-醇（10, 12-pentacosadiyn-1-ol, PCDO）发生共价交联，并对其进行还原，得到具有高导电性的超强高韧仿生层状复合材料，并对其协同强韧机理进行讨论。