聚合物基復合材料研究室研究方向主要包括：
一、無機/有機納米復合材料制備與結構-性能研究
二、低維有序納米結構制備與性能研究
三、聚合物基復合材料加工工藝與應用研究
四、高分子材料綠色循環應用技術開發
五、含稀土功能高分子材料合成工藝開發及其性能研究
六、功能彈性體制備及性能研究
七、磁性材料設計、制備與性能控制
具體課題方向介紹：
高分子聚合物微球
高分子微球是指直徑在納米級至微米級，形狀為球形或者其他幾何體的高分子材料或者高分子復合材料，形貌可以多種多樣，如：實心、空心、多孔、啞鈴型、洋蔥型等等。高分子微球的起源十分悠久，最早的天然高分子微球來自于橡膠樹的樹液，也就是膠乳。因此最早合成的高分子材料被應用于橡膠制品或者橡膠制品的添加劑，隨著微球制備技術的發展，聚合物微球隨之開始被應用于食品工業、涂料、紙張的表面加工、塑料添加物、膠黏劑以及建筑材料等領域。近年來，高分子微球應用領域從以往的工業應用也發展到高尖端技術領域，如醫療、生物化學、電子信息等領域。
本課題組長期從事高分子微球制備研究，在此方面具有豐富的研究基礎和經驗。通過分散聚合、無皂乳液聚合、懸浮聚合等方法制備得到了不同亞微米級、微米級的單分散PS、PMMA微球，羧基化PS、PMMA微球，以及交聯的PS、PMMA微球。得到的微球在工藝放大后仍然可以穩定。
圖1和圖2是微米級PS微球和含羧基的PS-COOH微球的SEM圖和粒徑分布圖?？梢钥闯?，本課題組制備得到的PS、PS-COOH微球形貌好、粒徑分布均勻。
圖1 3.4umPS微球SEM圖以及粒徑分布圖
圖2 200nm羧基化P(St-AA)微球SEM圖 200nm羧基化P(St-AA)微球粒徑分布圖
圖3 1.5um PMMA微球SEM圖和粒徑分布圖
圖4 分散聚合以及懸浮聚合制備得到的PMMA微球的SEM圖
高分子納米結構在監測及傳感器件中的應用
隨著科技的發展進步, 具有特殊功能的有序微結構日漸引起人們濃厚的研究興趣，并被廣泛應用于微電子器件、微反應器、生物化學傳感器以及光學器件等領域。自組裝是獲得有序微結構進而制備、構建新材料的最有效的方法和途徑，在調控材料結構和性能方面具有顯著的優勢。自組裝指的是體系的組成單元在非共價鍵相互作用下自發地聚集并形成各種有序結構的過程。本課題組在基于自組裝方法的基礎上，在制備有序多孔功能復合膜、蛋白石和反蛋白石結構光子晶體、氣敏元件等方面做了重要的工作。制備的材料可以應用在農藥監測、光子晶體、氣敏元件傳感器等方面。
A、蜂窩狀有序多孔功能復合膜的制備
圖1是采用呼吸圖案法制備蜂窩狀有序多孔膜的流程圖，以及以不同孔徑的有序多孔膜為模板將PS-COOH微球組裝得到的多功能膜。進一步將IgG 抗體接在自組裝的PS-COOH微球上，可用于檢測抗原信號。同時還可以制備得到Ag復合多孔膜應用在農藥檢測等方面。
圖1
B、蛋白石反蛋白石結構光子晶體
自從Yablonovit和John分別提出了光子晶體概念以來，光子晶體的制備和應用研究便得到了蓬勃發展。光子晶體是由兩種以上具有不同折射率的材料在空間按照一定的周期順序排列所形成的有序結構材料；它具有光子帶隙的特征，落在光子帶隙中的光將不能傳播，因此具有抑制或者增強光自發輻射的特性。通過科研人員的不斷探索，發現在制備光子晶體時，蛋白石最具研究價值，而采用自組裝的方法制備蛋白石最簡單、最高效。本研究室采用膠體晶體自組裝方法、利用單分散的PS微球制備得到了蛋白石和反蛋白石，如圖2和圖3所示。
圖2聚苯乙烯微球自組裝SEM圖
圖3反蛋白石結構SEM圖
C、分級多孔結構SnO2氣敏材料
半導體金屬氧化物氣敏材料具有結構簡單、成本低廉、響應回復快、靈敏度高、工藝成熟等優點。目前已在環境污染治理，工業氣體的監控、可燃性氣體、毒性氣體的檢漏報警等領域得到了廣泛的應用?，F階段研究表明分級多孔結構是構建高靈敏度和快速響應的金屬氧化物氣敏材料的理想結構。然而目前對于分級多孔結構氣敏材料的研究依然面對眾多難點和挑戰，如難以合成、結構簡單、種類單一等。這些難點和挑戰極大的制約了分級多孔結構氣敏材料的開發和應用。鑒于此，研究室從PS納米微球模板出發，通過“引入前驅物—PS微球自組裝—熱處理去模板”的方法，探索了合成分級多孔SnO2材料的方法。進而對分級多孔SnO2進行稀土摻雜，分析了分級多孔結構及其組分優化（稀土摻雜）對氣敏材料性能的影響，為分級多孔氣敏材料研究和開發提供思路和依據。
圖4 Ce-3的開放式分級多孔SnO2的SEM圖
圖5不同摻雜量的Ce摻雜合成的分級多孔SnO2對500ppm不同氣體的氣敏響應值
圖4和圖5是鈰摻雜SnO2得到的開放式分級多孔SnO2的SEM圖，以及不同摻雜量的Ce摻雜合成的分級多孔SnO2對500ppm不同氣體的氣敏響應值。其中前驅液中稀土元素與錫元素的原子摩爾比按1%、3%和5%配比制成，將樣品名稱標記為Ce-1，Ce-3，Ce-5。
可以發現，分級多孔結構并未因稀土Ce的加入而發生破壞與變化Ce元素的加入對分級多孔材料的氣敏響應值有普遍的增強作用，其中丙酮的靈敏度的提升較為顯著。對其他氣體的氣敏響應值提升效果不大或不太明顯。不同摻雜量的樣品其增強效果也不一樣，其中Ce-3樣品摻雜提升效果最好，其氣敏響應值最高。Ce-3樣品對500ppm丙酮響應值在53.6，變為Ce-0的2倍左右。
高強導電高分子復合材料
信息技術、生物技術、新材料是二十一世紀最受矚目的三大科學技術。而材料又是現在科學技術中的一個重要支柱。導電復合材料是指復合材料中至少有一種組分具有導電功能的材料，20世紀60年代末導電高分子復合材料在工業上開始規?；瘧谩５?0世紀80年代，對于各種導電高分子復合材料的研究和制備，無論在理論上還是實際應用上都相當活躍。
高分子材料相比于金屬材料而言，具有輕質的特點。賦予高分子材料一定的導電性，并利用增強體系對其增強制備導電高分子復合材料，可以實現材料的輕量化，達到以塑代鋼的目的。導電高分子復合材料的種類繁多，隨著這個領域的研究、開發和應用工作的不斷深入，新的品種不斷出現。導電高分子復合材料具有成型簡便，密度低、能在大范圍內根據需要調節材料的電學和機械性能、成本低等優點，應用十分廣泛。聚合物基導電復合材料主要可以應用在抗靜電和導電材料、熱敏材料、壓敏材料、氣敏材料、電磁波屏蔽材料、吸波材料方面。
對于制備導電高強塑料，要求塑料具備較好的導電性和高的力學性能。導電性可以通過基體具備導電性和填充體具備導電性來實現。而高的力學性能可以通過與其它體系復合達到。本課題組采用膨脹石墨作為填充體、碳纖維作為增強體，采用多組分碳材料復配共混技術，形成了不同形貌碳材料搭接網絡結構，提升了材料導電性；同時通過優化工藝參數，改善加工性，提升了復合材料綜合力學性能，開發了一系列高強度、優良導電性、耐磨性好的碳纖維增強的膨脹石墨/樹脂基復合材料。樹脂基體包括PPR、PPS、PA、PET、ABS，類別為阻燃導電、高強導電、耐低溫導電、高強耐磨，耐低溫耐磨等。
表1是分別同時添加30份玻璃纖維和碳纖維的PA66復合材料的物性對比表。可以看出添加碳纖維的塑料的綜合力學性能明顯高于添加玻璃纖維的塑料。
圖2是多組分碳材料填充高分子復合材料的SEM圖。可以看出，膨脹石墨為片層結構，且由于膨脹石墨的存在，其片層也分散在復合材料中，CF在復合材料基體中分布比較均勻，沒有出現團聚現象。本研究室制備的多組分碳材料體積電導率可達10-1 S/cm，拉伸強度達120.3MPa，彎曲強度達195.5MPa，沖擊強度為37.5kJ/m2 ；高于碳纖維增強塑料表面鍍金材料的性能；該制品性能優異，加工形狀可設計性強，已經進入中試。
a) 碳纖維/尼龍-66復合材料 b)膨脹石墨/尼龍-66復合 c)碳纖維/石墨/尼龍-66復合
圖2多組分碳材料填充高分子復合材料的SEM圖
稀土功能高分子復合材料
稀土元素是位于元素周期表中鑭系15種元素及第ⅢB族的鈧、釔共17種元素的總稱。由于其具有獨特的物理和化學性質，在傳統工業領域已得到廣泛的應用，并且是現代信息產業和國防工業不可缺少的原材料特別是稀土永磁材料、發光材料、儲氫材料、核反應堆材料和超導材料。
傳統制備稀土高分子復合材料的方法主要有摻雜法和鍵合法。摻雜法是把稀土元素引入到高分子體系中的一種簡單、直接、方便、實用的方法，其工藝簡單、制備方便、應用性強，是得到稀土高分子復合材料最早的應用方法。但此法制備稀土熒光高分子材料還存在很多局限性。首先，聚合物與稀土化合物之間的相容性差，因此兩相界面親合性差，不僅使材料的物理機械性能下降，也使得摻雜量受到極大的限制。其次，摻雜后材料的透明性變差，因此，難以制備稀土含量高和透明性好的稀土高分子材料。鍵合法是將稀土離子鍵合在高分子上，克服了摻雜型稀土高分子材料稀土化合物的缺點。
本課題組長期從事稀土高分子復合材料的研究。制備出了一系列具有反應活性的稀土高分子功能單體。合成技術成熟穩定，為獲得稀土功能化高分子提供了基礎。主要研究方向包括稀土高分子微球與熒光材料和稀土功能高分子纖維兩方面。
A、稀土高分子微球與熒光材料
稀土高分子發光材料由于兼具稀土離子發光強度高、色純度高和高分子材料優良的加工成型性能等優點而被廣泛研究，因此通過稀土與功能粒子的復合，特別是共聚后可以制備性能優異有使用價值的發光高分子微球與纖維是近些年來國際研宄的熱點。本研究室制備出了一系列有機功能高分子單體如Eu(MAA)3phen、Tb(MAA)3phen、Dy(MAA)3、Dy(MAA)3phen等。通過將其與其他反應單體如甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯等，可以制備得到稀土高分子發光微球。靜電紡絲法做為一種簡單方便的制備納米纖維的方法，通過高聚物與功能粒子的復合，可以制備出多種功能高分子纖維。采用靜電紡絲技術制備出熒光強度和熒光壽命較好的發光纖維，一方面使纖維功能化，結合稀土優異的熒光性能和纖維的優良的性能，對熒光材料的發展和應用有很大的意義；另一方面為共聚物大分子纖維為稀土離子提供了穩定的化學環境，增強稀土發光性能。
圖1是成功制備得到的稀土有機功能高分子單體的一種-Tb(MAA)3phen的單晶結構。圖2是采用鍵和方法得到的Eu-co-PS 熒光微球的紅外光譜圖。說明有機功能單體成功得到，且能夠得到共聚的熒光微球。
圖1 Tb(MAA)3phen的單晶結構 圖2稀土功能高分子微球的FT-IR圖譜
圖3是制備的稀土共聚物纖維和稀土共聚物微球的SEM圖，以及其在紫外光照射下產生的熒光效應。改材料可應用于高分子改性(光電、耐磨、輻射防護等)方面。
圖3
B、稀土功能有機玻璃
中子是一種不帶電荷的中性粒子，但它具有很強的穿透性，在空氣和其他物質中可以傳播很遠的距離。中子對人體的傷害比相同劑量的X射線更為嚴重。在對中子射線的屏蔽應用中稀土元素對于熱中子的n、γ反應截面比鎘和硼高出幾十倍，對于慢中子和中能中子的吸收能力也比鎘和硼高出許多倍。防護能譜復雜的中子輻射的理想屏蔽材料是既含有氫元素（如氫、碳），又含有重元素，尤其是含有對熱中子、慢中子和中能中子有特殊吸收能力的物質。對此，本課題組研制了具有抗輻射性能的稀土配合物共聚材料，是具有抗中子以及其他核輻射性能的透明高分子材料，力學性能和抗輻射功能優異，可在核電工業以及國防裝備上有重要的應用前景。
圖4
C、含稀土功能高分子纖維
稀土高分子復合纖維是課題組制備的一種新材料。由于本課題組使用的稀土元素具有最大的中子捕獲截面，所以此稀土高分子復合纖維是一種理想的防中子輻射材料，可用于中子輻射服等方面。對此，本課題組開發了具有聚合活性的稀土單體與PAN共混，以靜電紡絲和原位聚合的方式得到了稀土納米纖維的新工藝。制備得到的纖維形貌好（圖5），稀土元素含量高（10%~20%），且與纖維的相容性好，稀土元素分布均勻（圖6）并且耐水洗（圖7）?？朔藗鹘y防中子輻射纖維（以含B（BN或B4C）化合物與聚合物（PE等）共混，紡絲)）由于相容性差，均勻性差，造成稀土易洗脫、纖維綜合力學性能差等問題。同時，采用濕法紡絲方法得到聚丙烯腈基稀土微納米纖維（圖8），工業化前景好。
圖5釓元素含量為10.31%時纖維的FESEM圖 圖6含釓纖維的mapping圖
圖7含釓纖維的耐水洗情況 圖8濕法紡絲含釓纖維圖片
介電彈性體開發及其在機器人肌肉、驅動器的應用
隨著機器人產業的快速發展和對護理機器人的深入研究，驅動器和觸覺傳感器在機器人器件中的作用得到了研究者們的廣泛關注，并有望進一步拓展機器人的感知能力和運動能力。其核心部件為高性能的介電彈性體，它不僅具有超大形變量、超快響應速度、高機電轉化效率，良好的負載匹配性、超強的環境適用性、高疲勞壽命以及優異的仿生性能等特點，同時，還可以作為力學傳感器應用于包括機器人觸覺皮膚在內的眾多新興研究領域，已成為國內外學者關注的熱點之一。
研究室采用鈦酸銅鈣、聚苯胺包覆鈦酸銅鈣等高介電常數的無機顆粒、高極性的聚丙二醇二乙酯柔性聚合物、三聚茚和聚乙炔等具有共軛結構的物質、碳納米管和聚苯胺等導電材料作為高效填料，制備了一系列的介電彈性體復合材料，具有較好的電致形變效果。
鈦酸銅鈣具有超高的介電性能，可以大幅度減少硅橡膠中鈦酸銅鈣的填充量。而傳統的固相法合成分散良好的鈦酸銅鈣顆粒，是一項具有挑戰的研究課題。從圖1中可以看出，通過直接熱處理前驅體的方法，所得CCTO亞微米顆粒的尺寸為300-500nm。而通過熔鹽法制備的CCTO微米顆粒是具有良好分散性的立方晶體，尺寸約為2um。
圖2是純硅橡膠和CCTO/PDMS復合材料的電致伸縮應變圖?？梢钥闯觯陔妶鰪姸葹?V/m和10V/m電場強度下，復合材料的驅動應變比純硅彈性體高得多。例如在5V/m電場強度下，含2wt%亞微米和微米CCTO的CCTO/PDMS復合材料的電致伸縮應變分別為7.67%和9.83%。而硅橡膠彈性體的電致伸縮應變只有2.25%。這是由于CCTO/PDMS 復合材料的機電耦合系數更高，所以其驅動應變值較大。在初始階段由于低彈性模量和高介電常數，微米CCTO/PDMS復合材料的電致形變遠高于亞微米CCTO/PDMS復合材料。隨后由于其偶極取向極化能力變差，造成驅動力不足以繼續變形，因此，其驅動應變的增加速率趨于穩定。
圖1(a)直接熱處理法（b）熔鹽法合成的鈦酸銅鈣FESEM圖
圖2（a）純硅橡膠（b）亞微米CCTO/PDMS （c）微米CCTO/PDMS復合彈性體電致形變圖
本研究室采用原位表面聚合方法合成了CCTO@PANI復合材料，并將其填充至硅橡膠中設計開發了具有高介電常數和低彈性模量的CCTO@PANI/PDMS復合材料。圖3是CCTO@PANI/PDMS復合材料的STEM圖和元素Mapping圖?？梢钥闯觯?a href="mailto:CCTO@PANI/PDMS">CCTO@PANI/PDMS復合材料具有明顯的核/殼結構，并且PANI殼的厚度為10-20nm。聚苯胺中的氮元素和摻雜酸中的氯元素平均分布在顆粒的表面，說明原位氧化聚合制備聚苯胺反應發生在鈦酸銅鈣顆粒的表面上，與FESEM表征結果一致。
圖3（a）CCTO@PANI復合材料的STEM圖（b）Mapping圖 圖4 CCTO@PANI/PDMS復合材料的極化機理圖
室溫下在10Hz至106Hz的頻率范圍內，純硅橡膠彈性體、CCTO/PDMS和CCTO@PANI/PDMS復合材料電致形變圖和介電性能測試圖如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，在50Hz下，S3的介電常數從純有機硅彈性體的2.15顯著增加到4.60，且其介電損耗僅有輕微的變化。含有較多PANI的S4和S5復合材料的介電常數較低，這是由于CCTO@PANI/PDMS復合材料的聚集降低了電子極化和極化子離域的效果。CCTO@PANI/PDMS復合彈性體的機電耦合效應出現了明顯下降，這必將影響到介電彈性體的電致形變效果。
與純硅彈性體和CCTO/PDMS復合材料相比，CCTO@PANI/PDMS復合材料表現出更高的介電常數，這可能與超電極化和強極化離域效應相關。此外，由PANI網絡狀包裹在CCTO顆粒的表面，通過麥克斯韋界面極化機理作用，CCTO@PANI/PDMS復合材料產生了高介電常數如圖4所示。
圖5有機硅彈性體、CCTO/PDMS和CCTO@PANI/PDMS復合材料（S1-S5）的電致應變圖
圖6純有機硅彈性體、CCTO/PDMS和CCTO@PANI/PDMS復合材料（S1-S5）的介電性能測試圖
電磁功能復合材料
電子通訊技術快速發展以及人民生活水平的提高，促使高分子電磁功能復合化需求迫切。本課題組基于長期在磁性材料以及導電高分子的研究基礎上，采用復合工藝實現高分子材料電磁功能化形成了系列磁性及電磁波吸收高分子復合材料。主要成果包括：1）采用多相復合方法，致力于物理場與化學方法調節填充相與高分子基體界面相容性與界面結構的技術開發，形成了微波輔助鐵氧體表面原位修飾及其與橡膠復合、微波輔助廢棄橡膠復合功能化循環利用以及機械力增強表面化學改性稀土永磁磁粉及其與橡膠復合等系列工藝：a. 以納米鐵氧體為原料，與橡膠基體共混，通過微波輻照，利用鐵氧體吸波特性，在鐵氧體表面形成局部過熱區，從而實現生膠對鐵氧體表面原位修飾，并構筑表面碳化層，綜合利用鐵氧體、鐵氧體表面復合結構以及橡膠助劑，實現吸波橡膠寬頻、高效化；b. 以廢棄橡膠和鐵氧體為原料，利用微波輻照下在鐵氧體表面形成過熱區，同時實現了廢棄橡膠半脫硫活化與鐵氧體表面修飾，解決了廢棄橡膠脫硫活化與有機-無機復合工藝中相相容性問題，形成了制造柔性磁體、磁性阻尼橡膠等橡膠復合功能材料的新工藝；c. 在機械球磨作用下，配合金屬磁粉改性液，在介質保護條件下，實現釹鐵硼表面改性，并保持其優異的磁特性，進而與橡膠、類橡膠基體復合，形成柔性釹鐵硼永磁體、粘結釹鐵硼超薄的制備。2）從鐵氧體出發，通過納米化及稀土摻雜改性，增強鐵氧體電磁波響應；在此基礎上，通過表面原位聚合以及多物理場輔助界面結構調控，設計鐵氧體/導電高分子多相納米復合材料，形成了面對不同不同電磁波波段響應吸收的電磁波吸收介質系列方法。3）形成了圍繞著包括尖晶石、石榴石、磁鉛石型鐵氧體納米化穩定合成工藝，包括溶膠-凝膠自燃燒法、超聲輔助共沉淀法、微波輔助溶劑熱法、微波快速合成等。
圖1 圖2