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在发展与淘汰不断交织的历史长河中,为了适应外界环境并抵抗外敌入侵,生物体衍生出多种精妙的结构和独特的性能,如能够分泌黏附蛋白的海洋贻贝以及具有卓越力学性能的贝壳珍珠层。基于天然珍珠层的层状结构,近年来,设计并制备了一系列仿生人造珍珠层。然而,大部分的复合材料并没有达到强韧一体化的目标,即协同提高材料的强度、韧性以及硬度。除了对力学性能极致的追求,多功能化同样是新型仿生材料的发展趋势,以更好地适应在航空航天、柔性储能设备、超级电容器、生物材料、人造骨骼和组织工程等领域中的应用。受天然珍珠层层状结构和海洋贻贝粘性蛋白组分的启发,以协同改善复合材料的拉伸强度与韧性为目标,赋予材料以多功能性—电学性能,重点研究了三种仿生材料,即基于贻贝仿生的二元导电薄膜(P-GP)、基于珍珠层仿生的三元层状材料(rGO/CNF/PDA)以及基于两种生物结构的纳米复合材料(P-GCP)。柔性纳米纤维素的引入成为提高材料强度与韧性的关键,拓展了生物质材料在柔性电池、超级电容器及其他电子设备中的应用,进而实现了木材的高值化利用。借助AFM、SEM、EDS、FT-IR、XRD和XPS等仪器对试样进行表征,并对其进行力学、电学测试,最后揭示仿生材料具有强韧一体化特点的机理。本研究主要结论如下:(1)P-GP仿生材料的性能研究在氧化石墨烯/聚多巴胺(GO/PDA)材料的基础上,对其进行表面涂覆。随后浸入到铜离子溶液中,以磷酸二氢钠为还原剂,在材料表面沉积铜纳米颗粒。反应生成的聚多巴胺-铜离子螯合结构能够显著提高材料的拉伸强度,达到了 459.5 MPa,为rGO/PDA的2.2倍;韧性为6.4 MJ/m3,提高了约60%。此外,材料表面均匀沉积的铜纳米颗粒能够极大提高材料的电学性能,其电导率最高可达252.7 S·cm-1,为rGO/PDA材料的4.5倍,同时也高于大多数石墨烯基仿生层状材料。(2)rGO/CNF/PDA仿生薄膜的性能研究以氧化石墨烯、纳米纤维素和多巴胺为原料,通过真空抽滤得到不同纳米纤维素含量的复合薄膜,随后经过铜离子处理和HI还原制备rGO/CNF/PDA纳米复合材料。在此条件下,纳米纤维素和多巴胺进入到纳米片层之间并分别与氧化石墨烯形成氢键、共价键结合。纳米纤维素的引入,将材料的拉伸强度提高至528.0MPa,为二元材料的2.2倍;韧性达到了 7.3 MJ m-3,提高了 52%,其优异的力学性能高于其他人造珍珠层材料。然而,材料的电导率最高仅为56.2 S·cm-1,需要进一步的探索与优化。(3)P-GCP人造珍珠层材料的性能研究结合以上两种仿生材料的设计思路,通过真空辅助自组装得到GO/CNF/PDA三元材料,对其进行聚多巴胺的表面涂覆和铜纳米颗粒的沉积,以进一步制备P-GCP人造珍珠层材料。相比于P-GP仿生材料,纳米纤维素的加入提高了材料的力学性能,其拉伸强度和韧性为712.9 MPa与7.7 MJ/m3,分别提高了 55%和20%。与rGO/CNF/PDA纳米复合材料相比,铜纳米颗粒的生成与离子键的构建极大提高了材料的电学性能,其电导率达到了 194.4 S·cm-1,与还原氧化石墨烯薄膜相当。