金屬離子配位對無機材料力學性能影響研究

池淑瑞

（太原理工大學，山西 太原 030024）

無機材料指由無機物單獨或混合其他物質(zhì)制成的材料[1]。由于無機材料的多相性,其結(jié)構(gòu)往往是復雜的,和其它材料相比,具有一系列優(yōu)點：具有較高的強度、比模量，大大減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,具有良好的可設(shè)計性、優(yōu)良的耐疲勞、耐腐蝕和抗振性等。無機材料由于其優(yōu)點而越來越受到廣泛的關(guān)注，對無機材料的改良技術(shù)也在不斷探索。由于無機材料細觀、微觀結(jié)構(gòu)復雜的，而且是不規(guī)則，因而改良方法是非常有限的。使用金屬離子配位改良無機材料力學性能是目前最具操作性的方法。常見的配位金屬離子（原子）包括：六配位離子Fe3+、Fe2+、Co3+、Pt4+、Al3+；四配位離子Cu2+、Zn2+、Hg2+、Cd2+；二配位離子 ：Ag+、Cu+、Au+。使用EDTA作為螯合劑，完成金屬離子配位。

使用金屬離子配位方法，以金屬中心離子為節(jié)點，由聚合物主鏈或者聚合物官能團通過可逆的不穩(wěn)定的金屬配位相互作用來聯(lián)接，形成的新的物理交聯(lián)的空間三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]。由于這種方法改變了無機材料的內(nèi)置結(jié)構(gòu)，必然會改變無機材料的力學性能。本文就對經(jīng)過金屬離子配位后的無機材料進行力學性能分析。無機材料包括由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料或氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。通過改良方法，可以制備成具有優(yōu)異的電學、力學和熱學性能的二維無機材料[3]。由于無機材料富含配位原子，若采用金屬離子配位構(gòu)筑較強的填料，與基體間界面相互作用，理論上會增強其力學性能。本文就是以PMMA作為聚合物基體材料，使用金屬離子配位方法制成MoS2/PMMA二維無機材料，研究金屬離子配位對無機材料力學性能影響。

1 抗壓性能影響

本文主要通過實驗的方法研究金屬離子配位對無機材料力學性能的影響。由金屬離子與MoS2節(jié)點配位形成的無機材料，與其他無機材料相比具有可控設(shè)計的可能性：首先，MoS2材料合成的條件更容易控制，可在較為溫和的條件和溫度下進行合成；其次，可以經(jīng)過合成新型結(jié)構(gòu)的配體進而改變MoS2材料的結(jié)構(gòu)與性能；由于可以探測到中心金屬離子的活性位點，因而確定配位點，進而可以預先設(shè)計MoS2材料的不對稱單元與框架結(jié)構(gòu)。因此經(jīng)過金屬離子配位的材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)也可以有效獲取。

經(jīng)過金屬離子配位方法后，無機材料內(nèi)部基質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，且分布不一定是均勻的。按無機材料的真實結(jié)構(gòu)來進行有限元建模分析是不實際的。本文通過傅里葉紅外光譜分析MoS2/PMMA二維材料的分子結(jié)構(gòu)。傅里葉紅外光譜是常用的分子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，由分子振動產(chǎn)生的能級躍遷產(chǎn)生的紅外光譜還可以有效吸收到分子，可以幫助判斷材料分子種類、配位官能團的種類等[4]。傅里葉紅外光譜應(yīng)用范圍廣，不僅可以定性測試物質(zhì)結(jié)構(gòu)與官能團模式，還可測試多狀態(tài)的材料樣板，進而進一步分析。

使用傅里葉紅外光譜分析MoS2/PMMA二維材料的內(nèi)部配位結(jié)構(gòu)。在紅外光譜中，顯示在位移3108 cm-1處為-S鍵的伸縮振動峰，是MoS2/PMMA二維無機材料中配位離子中的伸縮振動峰；在位移1426 cm-1處MoS2節(jié)點與金屬離子已發(fā)生配位；在位移1306cm-1、1024 cm-1處金屬骨架振動峰，相應(yīng)的MoS2/PMMA二維無機材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了內(nèi)質(zhì)變化，相應(yīng)的力學性能也必然產(chǎn)生變化。由于MoS2/PMMA二維無機材料內(nèi)置密度的提高，及結(jié)合了金屬離子形成金屬離子骨架，其抗壓力必然會提高[5]。經(jīng)過抗壓性能測試，讀出沖擊測試儀器的數(shù)值，并計算測試沖擊強度。實驗數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 抗壓性能測試數(shù)據(jù)

如表1結(jié)果所示，經(jīng)過金屬離子配位后的MoS2/PMMA無機材料，其經(jīng)受的沖擊強度可以由原來的1400KPa提升至3570KPa，無機材料的抗壓性能大大提高。

2 拉伸性能影響

將樣本材料按照GB/T1040標準制成拉伸樣條，拉伸樣條長60mm、寬12mm、厚6mm，然后放在CMT4104型拉力機上進行拉伸性能測試，直接讀出拉伸模量和極限伸長量的數(shù)值。測試結(jié)果如表2所示：

表2 無機材料彈性性能測試數(shù)據(jù)

由測試結(jié)果表可以看出，經(jīng)過金屬離子配位改變后的MoS2/PMMA二維無機材料，相比于原始無機材料在拉伸性能上有極大的提高。拉伸比例可以提升至原來的3倍，且可以有效改善反向回彈問題。

此外，金屬離子的配位度也會對無機材料拉伸性能產(chǎn)生影響。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 拉伸性能測試結(jié)果圖

由上圖可知，隨著金屬離子配位含量的增加，無機材料的拉伸性能會呈現(xiàn)快速下降的趨勢。這主要是因為，金屬離子配位加大了無機材料內(nèi)部密度，當進行外力拉伸時候，由于金屬離子的結(jié)合，不能發(fā)生大規(guī)模的伸長變形，從而導致高金屬離子配位度的拉伸強度持續(xù)降低。找到最適金屬離子配位度是掌握二維無機材料拉伸強度的關(guān)鍵。

3 彎曲性能影響

將無機材料樣板按照GB/T9341標準制成彎曲樣條，樣條長60mm、寬12mm、厚6mm，然后放在CMT4104型拉力機上進行彎曲性能測試，直接讀出彎曲模量和反向彎曲模量數(shù)值。測試結(jié)果如表3所示：

表3 無機材料彎曲性能測試數(shù)據(jù)

由測試結(jié)果表可以看出，經(jīng)過金屬離子配位改變后的MoS2/PMMA二維無機材料，相比于原始無機材料在彎曲性能上有較大的提高。彎曲模量增加較多，因而改良的無機材料在塑型應(yīng)用上存在可能。

4 結(jié)語

本文對使用金屬離子配位方法制成的MoS2/PMMA二維無機材料進行力學性能影響的研究。通過紅外光譜法分析無機材料配位后的結(jié)構(gòu)，研究金屬離子配位對無機材料力學方面抗壓性能、拉伸性能、彎曲性能的影響。且通過實驗驗證了金屬配位度對無機材料的拉伸性有較大影響，是改良無機材料拉伸性能的關(guān)鍵。希望本文的研究能夠為未來無機材料的發(fā)展提供可靠性的支持，推動無機材料的發(fā)展。