综述：冰模板法制备高性能层状块体聚合物纳米复合材料

这篇综述系统探讨了冰模板法（ice templating）仿生制备层状块体聚合物纳米复合材料（bulk polymer nanocomposites）的前沿进展，从结构-性能-应用角度解析了三种核心构建策略（层状支架聚合物浸润、热压和矿化），揭示了纳米填料-聚合物界面相互作用在能量耗散机制中的关键作用，并展望了热管理、电磁屏蔽（EMI shielding）等新兴应用方向。

　　

Abstract

受珍珠母"砖-泥"层级结构启发，冰模板法通过定向冷冻构建仿生层状支架，成为制备高性能块体聚合物纳米复合材料的前沿技术。该技术通过调控冰晶生长动力学，可实现纳米填料（如石墨烯、纤维素纳米纤维CNF）在微米级层间的有序排列，形成类似天然珍珠母的异质结构。

核心构建策略

1. 层状支架聚合物浸润：将冰模板形成的多孔陶瓷/纳米纤维支架浸入聚合物溶液（如PVA、环氧树脂），通过毛细作用实现聚合物基体填充，层间距可控制在100nm-10μm；

2. 热压诱导致密化：对冰模板-聚合物复合坯体施加20-100MPa压力并加热至聚合物玻璃化转变温度（T_g）以上，使层间孔隙率降低至<5%；

3. 原位矿化策略：在冰模板通道内沉积碳酸钙（CaCO₃）等无机相，仿生构建有机-无机杂化界面，其断裂韧性可达传统复合材料的3-8倍。

性能调控机制

层状结构的裂纹偏转效应与界面能量耗散是性能提升的关键：

• 当裂纹扩展至纳米填料（如氧化石墨烯GO）与聚合物的界面时，通过界面脱粘（debonding）和纤维拔出（pull-out）机制吸收能量；

• 通过氢键或π-π堆叠（π-π stacking）增强界面相互作用，可使复合材料模量提升200%-500%。

新兴应用

1. 热管理材料：取向氮化硼（BN）层状结构赋予面内导热系数＞30W/(m·K)，适用于电子器件散热；

2. 电磁屏蔽：碳纳米管（CNT）层间导电网络在X波段屏蔽效能（SE）达60dB，且密度＜1.5g/cm³；

3. 自监测传感器：利用层间电阻变化响应应变/损伤，灵敏度系数（GF）＞50。

挑战与展望

当前面临层间缺陷控制难、界面动态响应不足等瓶颈，未来可通过：

• 多物理场耦合制备：结合磁场取向与冰模板法调控纳米填料排列；

• 动态界面重构：引入可逆Diels-Alder键等刺激响应分子，实现损伤自修复。该技术为下一代轻量化高性能复合材料设计提供了仿生学解决方案。