阅读说明：本技术 一种高强高韧高透光率复合材料的制备方法 (Preparation method of high-strength high-toughness high-light transmittance composite material ) 是由 郭林 赵赫威 高名蕊 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及纳米材料、力学、光学等技术领域,涉及一种高强高韧高透光率复合材料的制备方法。该方法以二氧化硅(SiO-(2))为原料,利用双向冰模板法,得到层状SiO-(2)骨架,并将其与有机玻璃(PMMA)进行复合,制备一种力学性能好且透光度高的SiO-(2)-PMMA玻璃。具体方法是(1)配置一定浓度的PVA和SiO-(2)混合浆料,经搅拌、超声分散均匀,利用冰模板法组装,真空冷冻干燥后,得到PVA-SiO-(2)白色块状物；(2)将得到的PVA-SiO-(2)白色块状物进行层压,通过煅烧,得到致密的SiO-(2)白色片体；(3)将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)进行预聚,与致密SiO-(2)白色片进行复合,制得SiO-(2)-PMMA透明玻璃。(The invention relates to the technical fields of nano materials, mechanics, optics and the like, and relates to a preparation method of a high-strength high-toughness high-light transmittance composite material. The method uses silicon dioxide (SiO) 2 ) Using a bidirectional ice template method as a raw material to obtain layered SiO 2 A framework is compounded with organic glass (PMMA) to prepare SiO with good mechanical property and high transmittance 2 PMMA glass. The specific method is (1) preparing PVA and SiO with certain concentration 2 Mixing the slurry, stirring, ultrasonically dispersing uniformly, assembling by using an ice template method, and freeze-drying in vacuum to obtain PVA-SiO 2 A white mass; (2) the obtained PVA-SiO 2 Laminating the white blocks, and calcining to obtain dense SiO 2 A white sheet body; (3) mixing Methyl Methacrylate (MMA) and azobisisobutyronitrile (MMA)AIBN) is prepolymerized with dense SiO 2 Compounding white chips to obtain SiO 2 PMMA clear glass.)

一种高强高韧高透光率复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料学、仿生学、力学等技术领域，特别涉及一种高强高韧高透光率复合材料的制备方法。

背景技术

透明材料广泛应用于生活的各个方面，玻璃是透明材料的典型代表，距今已有四千多年的历史，从古至今，玻璃始终作为日常生活、工业科技等领域的一种重要材料。玻璃具有良好的透明度、硬度以及耐久性，且物美价廉，然而，玻璃材料固有的脆性导致其耐冲击性能较差，严重制约玻璃材料在现实生活中的应用。目前除了利用回火来提高强度和抗冲击性外，就是在玻璃板中嵌入软聚合物层，形成夹层玻璃。但这些方法并不能真正地提高玻璃的断裂韧性，所以玻璃材料是否耐冲击、如何同时提高玻璃制品的强度和韧性已备受科学界关注。

自然界中软体动物贝壳最内层结构——珍珠层，是强度大、韧性好的多级复合材料的典型代表，珍珠层是由95wt％的脆性碳酸钙和5wt％的柔性有机质交错排列组成，呈现规整有序的“砖-泥”式结构，这种精妙的“砖-泥”微观结构及其独特的滑动机制，被认为是改善韧性的主要原因，使得珍珠层文石晶体的韧性远高于普通文石晶体。有报道曾测得其拉伸强度和杨氏模量分别在80～135MPa和60～70GPa范围内，除了拉伸强度外，珍珠层的断裂韧性可高达1.24kJ·m^-2(约为单片CaCO₃的3000倍)。天然珍珠层材料以其独特的高强度和高韧性组合而受到广泛关注，但是制造宏观尺度的珍珠层状复合材料仍然是一项重大挑战，因此，制备出一种珍珠层状复合材料，以解决玻璃的脆性问题，具有巨大的研究价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用双向冰模板法，以硅基玻璃主要的组成成分二氧化硅(SiO₂)为原材料，提供一种仿珍珠层结构新型玻璃的制备方法。其包括如下步骤：

第一步，在5ml 3wt％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)水溶液中，加入0.2-2.0g的二氧化硅粉末，于室温下搅拌24-36h，制得PVA-SiO₂悬浊液浆料；

第二步，将第一步得到的PVA-SiO₂混合浆料超声10-30min后，倒入内壁尺寸为20mm×20mm的聚四氟乙烯模具中，将模具置于铜棒的一端，并将铜棒放置在装有液氮的杜瓦瓶上，对浆料进行冷冻组装，然后将冷冻的浆料放置在冷冻干燥机中，真空冷冻干燥24-36h，得到干燥的PVA-SiO₂白色块状物；

第三步，将第二步得到的PVA-SiO₂白色块状物于室温下施加1-30MPa的压力，层压1-120min后，得到规整的PVA-SiO₂白色片体；

第四步，将第三步得到的层压后的PVA-SiO₂片体置于高温马弗炉内，于800℃下保温4-10h，得到致密SiO₂白色片体；

第五步，将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)以500：1的质量比，在80℃油浴中，在氮气气氛下，搅拌15-25min后冷却至室温，制得甲基丙烯酸甲酯预聚物；

第六步，将第四步得到的致密SiO₂白色片体真空脱气15-30min后，将第五步制得的甲基丙烯酸甲酯预聚物加入其中，进行真空抽气0.5-1h后，在氮气气氛下，50℃加热24h，70℃加热2h，100℃加热2h，制得SiO₂-PMMA透明玻璃。

在本发明中，加热溶解聚乙烯醇的方式为水浴加热，制备甲基丙烯酸甲酯预聚物以及最终在加热条件下制备SiO₂-PMMA透明玻璃的方式均采用油浴加热。

在本发明中，冷却甲基丙烯酸甲酯预聚物的方式采用冰水浴冷却。

在本发明中，如果没有特别地说明，所采用的装置、仪器、设备、材料、工艺、方法、步骤、制备条件等都是本领域常规采用的或者本领域普通技术人员按照本领域常规采用的技术可以容易地获得的。

所述室温是指温度范围在20℃-35℃。

进一步的，第二步制备得到的PVA-SiO₂白色块状物具有良好的层状结构，层厚度在1-10μm、层间距在5-50μm范围内可控。

进一步的，第三步所述的对PVA-SiO₂白色块状物施加压力的方向应垂直于微观层排列的方向。

进一步的，第四步制备得到的致密SiO2白色片体仍然具有良好的层状结构，层间距在10nm-2μm范围内可控。

进一步的，第六步制备得到的SiO₂-PMMA玻璃具有微观层状结构。

进一步的，第一步所述的聚乙烯醇(PVA)水溶液是将水和高分子量的聚乙烯醇以100：3的质量比配合而成，聚乙烯醇需在80℃下的水溶液中搅拌2-3h。

进一步的，第一步中所述的在聚乙烯醇水溶液中加入二氧化硅的质量范围优选0.2-2.0g，如若二氧化硅加入的质量低于0.2g，会导致微观层不连续；如若二氧化硅加入的质量高于2.0g，会导致二氧化硅颗粒发生团聚，影响后续实验操作。

进一步的，该方法制备得到的SiO₂-PMMA玻璃具有良好的力学性能及光学性能，其弯曲强度在100MPa以上，透光率在85％以上。

相对于现有的强度高、韧性好的透明材料的制备，本发明具有如下优点：

1，本发明制备过程中采用的原料简单易得、成本较低，且对环境没有污染、工艺简单、操作简便；

2，本发明将仿珍珠层结构引入到玻璃中，在保持玻璃强度的同时，提高其韧性；

3，本发明制备得到的SiO₂-PMMA玻璃兼具高强度、高韧性及高透明度等特点。

附图说明

图1为本发明所采用冰模板法的装置示意图；

图2为本发明实施例1得到的干燥的白色块状物的实物图及扫描电子显微镜照片；

图3为本发明实施例1得到的PVA-SiO₂白色片体的实物图及扫描电子显微镜照片；

图4为本发明实施例1得到的致密SiO₂白色片体的实物图及扫描电子显微镜照片；

图5为本发明实施例1得到的SiO₂-PMMA玻璃的实物图及扫描电子显微镜照片；

图6为本发明实施例1得到的SiO₂-PMMA玻璃的透光度测试结果；

图7为本发明实施例1得到的SiO₂-PMMA玻璃的力学测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来具体说明高强、高韧、透明玻璃的制备方法。但应当理解，这些实施例仅仅用于阐述本发明，而并不以任何方式限制本发明的保护范围。

实施例1

低二氧化硅含量的SiO₂-PMMA玻璃的制备方法

第一步，在5ml 3wt％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)水溶液中，加入0.2g的二氧化硅粉末，于室温下搅拌24h，制得PVA-SiO₂悬浊液浆料；

第二步，将第一步得到的PVA-SiO₂混合浆料超声20min后，倒入内壁尺寸为20mm×20mm的聚四氟乙烯模具中，将模具置于铜棒的一端，并将铜棒放置在装有液氮的杜瓦瓶上，对浆料进行冷冻组装(图1)，然后将冷冻的浆料放置在冷冻干燥机中，真空冷冻干燥24h，得到干燥的PVA-SiO₂白色块状物(图2)；

第三步，将第二步得到的PVA-SiO₂白色块状物于室温下施加5MPa的压力，层压30min后，得到规整的PVA-SiO₂白色片体(图3)；

第四步，将第三步得到的层压后的PVA-SiO₂片体置于高温马弗炉内，于800℃下保温6h，得到致密的SiO₂白色片体(图4)；

第五步，将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)以500：1的质量比，在80℃油浴中，在氮气气氛下，搅拌15-25min后冷却至室温，制得甲基丙烯酸甲酯预聚物；

第六步，将第四步得到的致密SiO₂白色片体真空脱气20min后，将第五步制得的甲基丙烯酸甲酯预聚物加入其中，进行真空抽气0.5h后，在氮气气氛下，50℃加热24h，70℃加热2h，100℃加热2h，制得SiO₂-PMMA透明玻璃(图5)。此玻璃具有高达85％的透光度(图6)及较高的弯曲强度(图7)。

实施例2

高二氧化硅含量的SiO₂-PMMA玻璃的制备方法

第一步，在5ml 3wt％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)水溶液中，加入2.0g的二氧化硅粉末，于室温下搅拌24h，制得PVA-SiO₂悬浊液浆料；

第二步，将第一步得到的PVA-SiO₂混合浆料超声20min后，倒入内壁尺寸为20mm×20mm的聚四氟乙烯模具中，将模具置于铜棒的一端，并将铜棒放置在装有液氮的杜瓦瓶上，对浆料进行冷冻组装，然后将冷冻的浆料放置在冷冻干燥机中，真空冷冻干燥24h，得到干燥的PVA-SiO₂白色块状物；

第三步，将第二步得到的PVA-SiO₂白色块状物于室温下施加5MPa的压力，层压30min后，得到规整的PVA-SiO₂白色片体；

第四步，将第三步得到的层压后的PVA-SiO₂片体置于高温马弗炉内，于800℃下保温6h，得到致密的SiO₂白色片体；

第五步，将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)以500：1的质量比，在80℃油浴中，在氮气气氛下，搅拌15-25min后冷却至室温，制得甲基丙烯酸甲酯预聚物；

第六步，将第四步得到的致密SiO₂白色片体真空脱气20min后，将第五步制得的甲基丙烯酸甲酯预聚物加入其中，进行真空抽气0.5h后，在氮气气氛下，50℃加热24h，70℃加热2h，100℃加热2h，制得SiO₂-PMMA透明玻璃。