本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种高耗能孔弹性材料及其制备方法。
背景技术：
1、振动可导致关键结构的击穿或疲劳失效，并且普遍存在于各种工程领域(车辆、航空器、电子设备等)和生物组织(关节软骨、肌腱等)。比如剧烈运动的冲击能量给关节软骨带来巨大负荷，过度使用后容易患关节炎和不可逆损伤。车辆或航空器在运行过程中易产生震动使人体产生不适甚至损伤。为了有效地消除振动，迫切需要开发高性能的阻尼材料，在有限变形下实现大的能量耗散，防止对物体的破坏。高分子材料具有优异的能量耗散性能，通常用来做减震材料。当外力对材料做功时产生形变，一方面用来改变链段的构象，另一方面提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量。这种依靠网络进行能量耗散的机制称为粘弹性耗能。
2、水凝胶由交联的大分子和水组成，可广泛应用于生物医用材料。粘弹性耗能是传统水凝胶耗散机械能的主要方式。链段的粘弹性包括脆性网络的断裂、可逆交联和可转化域。但是这些方法需要大的变形来实现显著的能量耗散。例如，传统单网络水凝胶储存弹性能量，在应力-应变曲线中没有滞后，直到足够大的变形才能通过破坏网络化学键以耗散能量。而双网络水凝胶的脆性网络对变形敏感，但由于网络断裂中的能量耗散有限，其也依赖于大变形来实现充分的能量耗散。双网络水凝胶中引入了不可逆的离子交联，但改进有限，需要几个小时甚至几天才能部分或完全恢复。
3、生物组织和细胞外基质提供了几种能量耗散方法：粘弹性、孔弹性和塑性。皮肤和脂肪组织主要依靠粘弹性或不可逆塑性损伤来实现大变形下的能量耗散。但关节软骨主要依靠孔弹性进行能量耗散，这在生物软材料中尤为突出。作为关节处的一种薄组织，其在小变形范围内耗散能量的能力令人印象深刻，在日常生活中能够承受几倍于体重的载荷，每年经历数百万次循环。其优异的、多功能的性能是由多级结构产生的。关节软骨主要包括胶原蛋白和糖胺聚糖，其余为间质液。关节软骨的孔隙弹性能量耗散归因于压缩过程中刚性胶原蛋白对网络的横向束缚，使压缩过程存在水挤出，具有明显的孔弹性特征，实现高效能量耗散。
4、在此，我们提出了一种离子扩散诱导的定向凝胶化方法来构建具有超高孔弹性能量耗散的结构性耗能材料，具有可多次使用、高耗能的特点。除了用与水凝胶体系外，可广泛用于制备不同溶剂体系的高效耗能凝胶材料，有着广泛的应用拓展空间，包括车辆减震、航天器减重、生物软组织替换等。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种高耗能孔弹性材料，该材料包括三维骨架和填充于骨架的凝胶；所述三维骨架由二维刚性纳米片层层有序堆叠而成。其中，由二维刚性纳米片层层有序堆叠组成的骨架，使凝胶具有各向异性，即凝胶在压缩过程中，取向纳米片束缚网络形变，从而让液体在压缩过程中挤出，液体挤出的现象被认为是孔弹性耗能的表观特征。
2、本技术中，所述二维刚性纳米片的体积分数在10％以上，以保证产生足够的各向异性；
3、作为本领域公知常识，提高凝胶中凝胶组分的比例可以保证具有足够低的渗透率，即对液体具有强束缚作用，产生高的能量耗散值。实验证明，当凝胶组分的质量分数在10％以上时，凝胶的渗透率足够低(在10-13m2/pa·s以下)，且具有一定强度。
4、本技术中，凝胶可以为单组份凝胶，也可以是双组分凝胶，一般来讲，双组分凝胶能形成更为致密的网络结构，有利于降低渗透率。
5、本技术中，所述凝胶的溶剂为水、有机溶剂中的至少一种，以适应不同的使用环境。
6、本技术中，所述二维纳米片为氧化铝纳米片、玻璃片、云母片。
7、本发明还提供上述高耗能孔弹性材料的制备方法，该方法为：将二维纳米片、凝胶组分分散于水中，形成组装液，其中二维纳米片的体积分数在20vol％以下；将可以释放带电粒子的基底置于组装液中，二维纳米片沿着基底表面取向组装；所述组装液中，二维纳米片可与所述带电粒子形成静电作用；所述凝胶组分能在所述带电粒子诱导下形成凝胶；去除基底，即得到由二维纳米片和水凝胶组成的高耗能孔弹性材料；该步骤中，凝胶组分能在所述带电粒子诱导下形成凝胶，这使得带电粒子的扩散与凝胶形成同步，凝胶界面处因含有大量带电粒子使界面显电性，界面不断吸引相反电荷的纳米片向界面处迁移，当纳米片与凝胶面平行时具有最大接触面积，达到最稳定状态，故而纳米片平行与凝胶界面取向。当纳米片与凝胶界面接触取向，随着带电粒子的进一步扩散，纳米片被固定，带电粒子继续向垂直于基底方向向前扩散对后面的纳米片继续取向、固定。
8、其中，释放带电粒子的基底可以为：通过反应原位释放带电粒子的金属、吸附带电粒子的亲水材料(包括吸水材料、亲水改性后的疏水材料，如塑料等)。带电粒子可以为：带电离子或带电高分子(聚电解质)。例如：阳离子(na+、ca2+、zn2+、ba2+、cu2+、fe3+、al3+、zr4+等)中的至少一种。
9、由于组装基元是基底释放的带电粒子作用下进行组装的，本领域技术人员可以预见，在吸附情形下，基底上吸附的带电粒子的浓度将影响取向组装的厚度。带电粒子浓度越高，组装的厚度越大；通过实验证明，在浓度为0.1mol/l时，即可实现有序组装。本领域技术人员可以根据产品厚度需求调控基底上吸附的带电粒子浓度。在本发明优选的实施例中，带电粒子的浓度在1mol/l以上。
10、由于凝胶的形成速度直接与基底带电粒子的释放速度有关，通过试验证明，凝胶的形成速度在0.2mm/min以下时可以保证凝胶对于组装基元的有效取向诱导。例如，对于二价钙离子，在吸附情形下，基底吸附的带电粒子的浓度设置在5mol/l以下，可以保证形成凝胶的速度在0.2mm/min以下；而对于三价铁离子，在吸附情形下，基底吸附的带电粒子的浓度设置在1mol/l以下，以保证形成凝胶的速度在0.2mm/min以下。本领域技术人员可以通过检测凝胶的形成速度调控吸附的带电粒子的浓度，或调控电化学反应速度(例如电流大小，针对反应原位释放带电粒子的金属)，以使得凝胶的促进效果达到最佳。
11、该组装方法中，组装基元的浓度在0～20vol％，若含量太高的话，纳米片之间的空间位阻比较大，影响空间中的纳米片转向，将降低取向度。本领域技术人员基于体积含量的要求，结合重量＝密度*体积，即可对组装基元的重量进行方便快捷的计量。在本发明的实施例中，均以重量计。
12、所述凝胶组分为羧基聚电解质，通过带电粒子的诱导，形成离子交联凝胶，包括但不限于海藻酸钠、羧化壳聚糖、聚氨酯等中的一种。本发明中，凝胶组分的含量以如下为前提：①浓度不能太低，否则，不能在所述带电粒子诱导下形成凝胶；只要达到能形成凝胶的浓度，即可为纳米材料的组装提供作用力。②浓度不能太高，否则组装液粘度太高，带来取向阻力；一般情况下，组装液粘度要在500mpa·s以下。根据以上两个前提配制所需组装液各项组分浓度为本领域公知常识。
13、在本发明某些较为优选的制备方法中，还将有机溶剂与二维纳米片、凝胶组分一同分散于水中，以适应于不同的使用环境(例如在低温或高温等较为恶劣的环境中使用时，加入有机溶剂可以避免水的结冰或者挥发)，且实现一步法制备以避免较为繁琐的溶剂置换操作。
14、在本发明某些较为优选的制备方法中，将增强组分与所述二维纳米片、凝胶组分一同分散于水中；所述增强组分与所述凝胶组分一起形成凝胶网络；所述增强组分包括凝胶单体、凝胶交联剂、凝胶促进剂、凝胶引发剂。增强组分的加入可以降低凝胶的渗透率，增大对溶液的束缚，使其在被挤压过程中提高能量耗散；这些增强组分在光或热刺激下与前述凝胶组分一起形成凝胶网络。
15、在本发明某些较为优选的制备方法中，还包括对复合材料进行后处理，以提高所述凝胶的致密度，降低渗透率；所述后处理方法为：引发聚合、后交联处理中的一种或多种。
16、在本发明某些较为优选的制备方法中，还包括：采用有机溶剂对所得到的复合材料中的水进行置换。置换方法可以为：在凝胶中填充其他粘性液体，得到高耗能孔弹性凝胶材料。溶剂置换处理方法可以为烘干水后浸泡粘性液体或直接浸泡粘性液体。
17、本发明与现有技术相比具有的有益效果如下：
18、1)孔弹性耗能利用液体与网络间的相对位移产生的摩擦耗能，相比与单
19、网络粘弹性耗能的凝胶具有更高效的能量耗散性能；
20、2)粘弹性耗能往往利用网络破坏性耗能，只能使用一次或着需要长时间
21、来恢复，而孔弹性耗能利用水的摩擦耗能，对网络本身无不可逆破坏，并利用离子渗透压差实现回复，具有可多次使用、快速恢复的特点。
22、3)功能性高分子或离子的掺杂能进一步拓宽材料的应用范围；
23、4)可采用任意形状和材质为模板，以及三维的结构设计，制备多种形状
24、和功能的取向纳米材料。