Advanced Materials:受自然界垂直结构的启发,定构加工架起聚合物复合材料结构与性能间的桥梁

聚合物复合材料中的垂直结构是指功能性填料在材料的厚度方向有序排列、相互连接或组装成的一系列特征结构,可以赋予材料各向异性的特性和其他优异的功能表现。近年来,众多研究者包括作者课题组在垂直取向结构的制备方法、形态特征的调控、功能特性的提升以及功能材料的应用方面取得了众多进展。四川大学傅强教授、吴凯副研究员研究团队从加工技术角度出发,对于这种既在自然界广泛存在又利于制备高性能聚合物复合材料的垂直结构,进行了系统性总结(如图1)。

图1. 自然界垂直取向结构的原型、定构加工方法和功能复合材料应用之间的三角关系。

大自然是材料结构设计最优秀的老师。本文从自然界中的垂直结构出发(如图2),树干、年轮、芦苇、木头中的径向和层状形态、壁虎触手等多种垂直取向结构,都为制备对应领域的仿生多功能聚合物复合材料提供了优秀的学习模板。鉴于此,为了能够精细地模仿这些优异的天然垂直取向结构,他们详细地总结了用于制备具有垂直取向结构的聚合物复合材料的多种定构加工手段,例如定向方向变换、外场诱导、模板法和3D 打印技术、多种加工手段耦合等。

图2. 自然界中垂直取向结构的原型及其启发的各种功能性材料。

之后,在多种定构加工手段的帮助下,先进多功能聚合物复合材料也得到了广泛的关注。为此,他们详细列举了垂直取向结构在聚合物功能复合材料中的广泛应用,例如结构材料、热管理材料(隔热及导热材料),介电材料,导电传感材料,电磁屏蔽材料,水处理材料(油水分离及太阳能水体蒸发材料),电化学储能材料等诸多领域。在结尾本文也指出了现存垂直取向结构的现存问题和未来发展的新机会,希望以上观点能为制备先进多功能聚合物复合材料的研究做出更多贡献。

四川大学高分子科学与工程学院2020届硕士毕业生雷楚昕为本文的第一作者,通讯作者为四川大学的吴凯副研究员和傅强教授。感谢国家自然科学基金和江苏省自然科学基金对本工作的支持!

论文信息:

Controlled Vertically Aligned Structures in Polymer Composites: Natural Inspiration, Structural Processing, and Functional Application

Chuxin Lei, Zilong Xie, Kai Wu*, Qiang Fu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202103495

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202103495