复合材料-第九章纳米复合材料-2复习进程
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工具钢表面的AlN/TiN纳米复合耐磨涂层
16
原因：纳米颗粒散布于非晶态涂层中，提高 显微硬度。纳米结构的涂层致密度高达95%98%。
2. 高力学性能材料
高强度合金
日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备高 强、高延展性的纳米复合材料。
纳米Al-Ce-过渡族金属合金复合材料比常规同类材 料好得多的延展性和高的强度。
在普通钢表面涂上TiN和金刚石的纳米复 合膜，不仅与钢有很好的附着力，而且显 示出高硬度和很好的耐冲击能力。
芬兰技术研究中心用磁控溅射法成功地在碳钢上涂 上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，热处理后涂层硬度达 20.8GPa，比碳钢提高几十倍，而且有良好的抗氧化 、耐高温性能，同时克服单层纳米MoSi2容易开裂的 缺点，充分显示纳米复合涂层的优越性。
米碳管
纳米复合材料：是指分散相尺度至少有一维 小于100nm的复合材料。
性能优异：刚度大、强度和韧性比单组分纳 米材料提高2～5倍，重量轻，综合性能优异， 可根据作用条件的要求进行设计和制造，以 满足各种特殊用途的需要。
§9-1 纳米复合材料的分类
按照复合方式不同, 主要分为四大类
0-0 复合体系 0-3 复合体系 0-2 复合体系 纳米层状复合体系
α- Fe /Nd2Fe14B 具有高的矫顽力和
高残余磁化。
2、0-3 复合体系
纳米级SiC 晶粒/Al2O3 的陶瓷基复合材料,其 强度可高达1500 MPa ,最高使用温度也可从原 基体的800 ℃提高到1200 ℃。
纳米Al2O3 弥散到透明的玻璃中既不影响透明 度又提高了高温冲击韧性,放入有机玻璃 ( PMMA) 中，产生良好的宽频带红外吸收性能。
材料结构特点是在非晶基体上分布着30-50nm 的Ce 粒子，外部包有10nm厚的晶态A1。这种复杂的纳米 结构是导致高强、高延展性的主要原因。
这类材料结构上的特点是在非晶基体上分布 纳米粒子.
18
纳米复合材料具有比强度、比模量高等特点。
复合系统
抗拉强 度
MPa
拉伸模量 GPa
密度 比强度
比模量
Schematic representation of melt intercalation
4 原位聚合法
原位聚合是纳米粒子均匀分散于单体中, 在一定条件下聚合,形成分散良好的聚合 物纳米复合材料,或将刚性聚合物溶解于 柔性聚合物的单体中,然后引发聚合,形成 刚性聚合物在聚合物基体中以纳米级分散 的复合材料。
22
纳米陶瓷增韧原因： 钉扎理论，认为存在于基体晶界的纳米颗 粒产生钉扎效应，从而限制了晶界滑移和 空穴、蠕变的发生，晶界的增强导致纳米 复合陶瓷韧性的提高。
23
超塑性
•自从80年代中期以来，超塑性陶瓷材料相继 在实验室问世。 •Wakai和Nieh等人在四方二氧化锆中加Y2O3 稳定化剂（粒径小于300nm）观察到了超塑 性，他们在此材料基础山又加了20%Al2O3， 所制成的陶瓷材料的平均粒径约500nm，超 塑性达200%-500%. •值得一提的是Nieh等人在四方氧化锆加 Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性竟达800%。
两种软金属(如Cu/ Ni , Cu/ Ag等)层状交替复合 成层厚为纳米级的多层结构时,材料表现出优异的 机械性能,如高的屈服强度和高的弹性模量。
在钢基体上交替地喷镀上TiN 和CNx 纳米层,得到 的膜层硬度为45～55GPa , 已接近金刚石的硬度。
§7-3 纳米复合材料的应用
1、纳米复合涂层材料
纳米薄膜材料用于金属表面上的复合镀层,可获 得超强的耐磨性,自润滑性,热稳定性和耐腐蚀 性。TiN/MoS2 , TiB2/MoS2 , ZnO/ WS2 等一系 列纳米复合膜已经研制成功。
4、纳米层状复合体系
层状结构复合材料,即由不同材质交替形成的组分 或结构交替变化的多层膜,当各层膜的厚度减少到 纳米级时,会显示出比单一膜更为优异的特殊性能。
按复合方式不同划分
晶内型、晶间型、晶内-晶间型、纳米-纳米型
晶内型和晶间型纳米复合材料：纳米粒子主要弥散于基 体晶粒内或基体晶粒间，其目的不仅为了改善室温力学 性能及耐用性，而且要改善高温力学性能，如硬度、强 度、抗蠕变和疲劳破坏性能。
纳米-纳米型复合材料：由纳米级增强体和纳米基体晶粒 构成，使材料增加某些新的功能。
纳米复合药物
美国MIT研究了纳米磁性材料 为药物载体的靶向药物，称 为“生物导弹”。
在磁性纳米粒子表面涂覆高 分子，外部与蛋白结合，这 种载有高分子和蛋白的磁性 纳米粒子作为药物载体，静 脉注射到生物体内，在外加 磁场作用下通过纳米微粒的 磁性导航，使其移向病变部 位，达到定向治疗目的。
生物导弹攻击病毒
纳米α-Al2O3 与环氧树脂的复合材料，提高了
环氧树脂的玻璃转化温度, 模量增加.
3、0-2 复合体系
共沉积法直接将Fe 粒子束直接沉积在Cu 和Ag 的膜基体上 ，产生的巨磁阻效应(GMR)。
LB 膜技术可以组装分子取向和膜厚可控的有机 超薄膜，厚度可达纳米量级,如在花生酸LB膜内 的得到粒径2. 0 ～ 3. 0 nm 稳定的PbS 微粒。
超塑性原因
只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才 能在陶瓷材料中产生超塑性行为，其原因 是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对滑 移，使材料具有塑性行为。
25
3、磁性材料
磁致冷材料
巨磁阻材料，Fe 粒子束直接沉积在Cu 和 Ag的膜基体上 ，产生的巨磁阻效应(GMR)
4、光学材料
Al2O3/Fe2O3 纳米复合材料
本章结束！
2.氧化物/聚合物纳米复合材料
金属氧化物纳米粒子和聚合物复合可以对聚合物 进行增强、增韧, 也可制备功能性材料。
例：用纳米TiO2 为填料制备TiO2/环氧树脂纳米复 合材料，拉伸弹性模量提高370 % , 拉伸强度提 高44 % , 冲击强度提高878 %。
3.半导体/聚合物纳米复合材料
半导体/聚合物纳米复合材料是一类重要的非线性 光学材料。所采用半导体纳米粒子通常有Ⅱ-Ⅵ族 半导体纳米材料, 如ZnS、CdS、CdSe 、PbS 等, Ⅲ- Ⅴ族半导体纳米材料GaAs、InP 以及Cu2Cl 等。
例：可加工性和超塑性等。
按基体类型分类： 纳米陶瓷复合材料 纳米金属复合材料 纳米聚合物复合材料 纳米催化复合材料 纳米半导体复合材料
§7-2 纳米复合材料的研究进展
1、0-0 复合体系
Si3N4/SiC 高强度、高韧性和优良的 热和化学稳定性。 Y2O3/ZrO2 超塑性，800％。 Al2O3/Fe2O3 出现宽的蓝绿光波段。
优点：可在温和的条件下进行,两相均匀分散； 控制反应条件和有机无机组分的比例。
缺点：凝胶干燥过程中,由于溶剂、小分子、 水分的挥发可能引起材料收缩。
3 插层法
许多无机化合物(如石墨、层状硅酸盐、磷酸 盐等)具有典型的层状结构,层间可膨胀,可以插 入聚合物或单体分子形成复合材料。按照复合 过程,可分为三类即单体原位聚合法、聚合物溶 液插层、聚合物熔体插层。
②溶液插层法 将层状填加物浸入聚合物溶液中，直接把 聚合物嵌入到无机物层间，利用力学或热力学作用， 使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚 合物基体中形成高分子纳米复合材料。
聚合物大分子溶液插层工艺示意图
③熔体插层 先将聚合物熔融，然后再借助机械作用力直接将聚合物
嵌入层状无机材料间ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中，制得高分子纳米复合材料。
①、溶液共混法 把基体树脂溶于溶剂中，在树脂溶液中加入纳米粒
子后混合均匀，除去溶剂而得； ②、乳液共混法
将纳米粒子加入聚合物乳液中，并搅拌混合均匀实 现共混； ③、熔融共混
首先将聚合物加热熔融，并将纳米粒子加入聚合物 熔体内搅拌共混；
2 溶胶－凝胶法
溶胶－凝胶法是将硅氧烷或金属盐等前驱物 (水溶性盐或醇溶性盐) 溶于水或有机溶剂中 形成均质溶液, 溶质发生水解反应生成纳米级 粒子并形成溶胶。
0 - 0 复合：即不同成分,不同相或者不同种类的纳 米粒子复合而成的纳米固体,这种复合体的纳米粒子 可以是金属与金属,金属与陶瓷,金属与高分子,陶瓷 与陶瓷,陶瓷和高分子等构成纳米复合体;
0 - 3 复合：即把纳米粒子分散到常规的三维固体 中,例如把金属纳米粒子弥散到另一种金属或合金中, 或者放入常规的陶瓷材料或高分子中, 纳米陶瓷粒 子(氧化物、氮化物) 放入常规的金属、高分子及陶 瓷中;
g/cm3 MPa/(g/cm3) GPa/(g/cm3)
Al2O3P/Al
900
130
2.9
310
45
SiCP/Al
510
100
2.8
188
36
SiCf/Al
900
110
2.6
436
轧制+热处理 LY12合金
435
——— 2.9
150
42 ——
19
增韧陶瓷
德国Jullch材料研究所用粒径小于20nm的SiC粉体作 基体材料。再加入10％或20％的粒径为10μm的SiC粗 粉，热等静压下合成了纳米结构的SiC块体材料，在 强度等综合力学性能没有降低的情况下，断裂韧性提 高10-25％。
①单体原位聚合法
先将单体插层进入层状硅酸盐片层中，然后引发原位聚 合，利用聚合时放出的大量热量，克服硅酸盐片层间的作用力， 使其剥离，从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合， 获得高分子纳米复合材料。
Schematic representation of in-situ polymerization
0 - 2复合：即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中, 分为均匀弥散和非均匀弥散两大类;
纳米层状复合：即由不同材质交替形成的组分或结 构交替变化的多层膜,各层膜的厚度均为纳米级,如 Ni/ Cu 多层膜, Al/ Al2O3 纳米多层膜等。
按增强体形状划分
零维(颗粒增强)、一维(纤维、晶须增强)、二维（晶片、薄 层、叠层增强）。
第九章 纳米复合材料
高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切 ，纳米技术为发展高性能新材料和对现有材料的性 能进行改善提供了一个新的途径。
纳米复合材料与传统复合材料在结构和性能上有明 显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物 理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。
纳米材料的 典型代表-纳
28
§7-4 聚合物纳米复合材料
一、聚合物纳米复合材料的种类
1.金属/聚合物纳米复合材料
利用金属纳米粒子与聚合物复合可以制备具有 导电性、磁性、自润滑、低磨耗以及生物活性的功 能性聚合物基纳米复合材料。常用的金属有Au、Ag、 Al 、Fe 、Cu 等。例如Krasnov 等将Fe纳米粒子 插入超高分子聚乙烯(UHMWPE) 的晶区缺陷和非晶 区空隙中制得Fe/UHMWPE 复合材料,铁粒子在高速 摩擦化学过程中起着活性中心的作用, 复合材料具 有低的摩擦系数, 摩擦稳定性好。
4 层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料
该类复合材料的层状硅酸盐的价格比较便宜, 能在聚 合物中均匀分散, 与聚合物产生较好的亲和力, 且制 备方法独特、科学等。漆宗能等发明了一步法制备尼 龙6/ 粘土纳米复合材料, 即将蒙脱土阳离子交换、己 内酰胺单体插层以及单体聚合在同一个分散体系完成, 在不降低产品性能的前提下缩短了工艺流程, 降低了 成本。
5 碳酸盐/聚合物纳米复合材料
CaCO3 、MgCO3 、BaCO3 、滑石粉等填料的粒度对聚合 物的性能有非常大的影响。常用的细粉填料往往导致 聚合物强度、韧性等性能的下降, 但纳米级的粒子却 可以提高聚合物的性能。
二、聚合物纳米复合材料的制备方法
1.共混法
与传统聚合物共混改性的方法相类似,将纳米粒子 与聚合物共混改性,主要包括熔融共混、溶液共混、 乳液共混法。 共混法的优点是简单易行,尤其是熔融共混,易于工 业化生产。但其最大的技术难题就是纳米粒子的解 团聚问题－－降低纳米粒子的表面能。
纳米ZrO2/Al2O3增韧陶瓷
发动机用陶瓷部件
20
纳米陶瓷增韧原因： “细化理论”，认为纳米相的引入能抑制 晶粒的异常长大，使得基体结构均匀细化， 从而提高纳米陶瓷复合材料的韧性。
21
纳米陶瓷增韧原因： “穿晶理论”，认为纳米复合材料中，基体 颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗 粒包裹在基体晶粒内部形成晶内型结构，减 弱主晶界的作用，诱发穿晶断裂，从而提高 强度和韧性。
16
原因：纳米颗粒散布于非晶态涂层中，提高 显微硬度。纳米结构的涂层致密度高达95%98%。
2. 高力学性能材料
高强度合金
日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备高 强、高延展性的纳米复合材料。
纳米Al-Ce-过渡族金属合金复合材料比常规同类材 料好得多的延展性和高的强度。
在普通钢表面涂上TiN和金刚石的纳米复 合膜，不仅与钢有很好的附着力，而且显 示出高硬度和很好的耐冲击能力。
芬兰技术研究中心用磁控溅射法成功地在碳钢上涂 上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，热处理后涂层硬度达 20.8GPa，比碳钢提高几十倍，而且有良好的抗氧化 、耐高温性能，同时克服单层纳米MoSi2容易开裂的 缺点，充分显示纳米复合涂层的优越性。
米碳管
纳米复合材料：是指分散相尺度至少有一维 小于100nm的复合材料。
性能优异：刚度大、强度和韧性比单组分纳 米材料提高2～5倍，重量轻，综合性能优异， 可根据作用条件的要求进行设计和制造，以 满足各种特殊用途的需要。
§9-1 纳米复合材料的分类
按照复合方式不同, 主要分为四大类
0-0 复合体系 0-3 复合体系 0-2 复合体系 纳米层状复合体系
α- Fe /Nd2Fe14B 具有高的矫顽力和
高残余磁化。
2、0-3 复合体系
纳米级SiC 晶粒/Al2O3 的陶瓷基复合材料,其 强度可高达1500 MPa ,最高使用温度也可从原 基体的800 ℃提高到1200 ℃。
纳米Al2O3 弥散到透明的玻璃中既不影响透明 度又提高了高温冲击韧性,放入有机玻璃 ( PMMA) 中，产生良好的宽频带红外吸收性能。
材料结构特点是在非晶基体上分布着30-50nm 的Ce 粒子，外部包有10nm厚的晶态A1。这种复杂的纳米 结构是导致高强、高延展性的主要原因。
这类材料结构上的特点是在非晶基体上分布 纳米粒子.
18
纳米复合材料具有比强度、比模量高等特点。
复合系统
抗拉强 度
MPa
拉伸模量 GPa
密度 比强度
比模量
Schematic representation of melt intercalation
4 原位聚合法
原位聚合是纳米粒子均匀分散于单体中, 在一定条件下聚合,形成分散良好的聚合 物纳米复合材料,或将刚性聚合物溶解于 柔性聚合物的单体中,然后引发聚合,形成 刚性聚合物在聚合物基体中以纳米级分散 的复合材料。
22
纳米陶瓷增韧原因： 钉扎理论，认为存在于基体晶界的纳米颗 粒产生钉扎效应，从而限制了晶界滑移和 空穴、蠕变的发生，晶界的增强导致纳米 复合陶瓷韧性的提高。
23
超塑性
•自从80年代中期以来，超塑性陶瓷材料相继 在实验室问世。 •Wakai和Nieh等人在四方二氧化锆中加Y2O3 稳定化剂（粒径小于300nm）观察到了超塑 性，他们在此材料基础山又加了20%Al2O3， 所制成的陶瓷材料的平均粒径约500nm，超 塑性达200%-500%. •值得一提的是Nieh等人在四方氧化锆加 Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性竟达800%。
两种软金属(如Cu/ Ni , Cu/ Ag等)层状交替复合 成层厚为纳米级的多层结构时,材料表现出优异的 机械性能,如高的屈服强度和高的弹性模量。
在钢基体上交替地喷镀上TiN 和CNx 纳米层,得到 的膜层硬度为45～55GPa , 已接近金刚石的硬度。
§7-3 纳米复合材料的应用
1、纳米复合涂层材料
纳米薄膜材料用于金属表面上的复合镀层,可获 得超强的耐磨性,自润滑性,热稳定性和耐腐蚀 性。TiN/MoS2 , TiB2/MoS2 , ZnO/ WS2 等一系 列纳米复合膜已经研制成功。
4、纳米层状复合体系
层状结构复合材料,即由不同材质交替形成的组分 或结构交替变化的多层膜,当各层膜的厚度减少到 纳米级时,会显示出比单一膜更为优异的特殊性能。
按复合方式不同划分
晶内型、晶间型、晶内-晶间型、纳米-纳米型
晶内型和晶间型纳米复合材料：纳米粒子主要弥散于基 体晶粒内或基体晶粒间，其目的不仅为了改善室温力学 性能及耐用性，而且要改善高温力学性能，如硬度、强 度、抗蠕变和疲劳破坏性能。
纳米-纳米型复合材料：由纳米级增强体和纳米基体晶粒 构成，使材料增加某些新的功能。
纳米复合药物
美国MIT研究了纳米磁性材料 为药物载体的靶向药物，称 为“生物导弹”。
在磁性纳米粒子表面涂覆高 分子，外部与蛋白结合，这 种载有高分子和蛋白的磁性 纳米粒子作为药物载体，静 脉注射到生物体内，在外加 磁场作用下通过纳米微粒的 磁性导航，使其移向病变部 位，达到定向治疗目的。
生物导弹攻击病毒
纳米α-Al2O3 与环氧树脂的复合材料，提高了
环氧树脂的玻璃转化温度, 模量增加.
3、0-2 复合体系
共沉积法直接将Fe 粒子束直接沉积在Cu 和Ag 的膜基体上 ，产生的巨磁阻效应(GMR)。
LB 膜技术可以组装分子取向和膜厚可控的有机 超薄膜，厚度可达纳米量级,如在花生酸LB膜内 的得到粒径2. 0 ～ 3. 0 nm 稳定的PbS 微粒。
超塑性原因
只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才 能在陶瓷材料中产生超塑性行为，其原因 是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对滑 移，使材料具有塑性行为。
25
3、磁性材料
磁致冷材料
巨磁阻材料，Fe 粒子束直接沉积在Cu 和 Ag的膜基体上 ，产生的巨磁阻效应(GMR)
4、光学材料
Al2O3/Fe2O3 纳米复合材料
本章结束！
2.氧化物/聚合物纳米复合材料
金属氧化物纳米粒子和聚合物复合可以对聚合物 进行增强、增韧, 也可制备功能性材料。
例：用纳米TiO2 为填料制备TiO2/环氧树脂纳米复 合材料，拉伸弹性模量提高370 % , 拉伸强度提 高44 % , 冲击强度提高878 %。
3.半导体/聚合物纳米复合材料
半导体/聚合物纳米复合材料是一类重要的非线性 光学材料。所采用半导体纳米粒子通常有Ⅱ-Ⅵ族 半导体纳米材料, 如ZnS、CdS、CdSe 、PbS 等, Ⅲ- Ⅴ族半导体纳米材料GaAs、InP 以及Cu2Cl 等。
例：可加工性和超塑性等。
按基体类型分类： 纳米陶瓷复合材料 纳米金属复合材料 纳米聚合物复合材料 纳米催化复合材料 纳米半导体复合材料
§7-2 纳米复合材料的研究进展
1、0-0 复合体系
Si3N4/SiC 高强度、高韧性和优良的 热和化学稳定性。 Y2O3/ZrO2 超塑性，800％。 Al2O3/Fe2O3 出现宽的蓝绿光波段。
优点：可在温和的条件下进行,两相均匀分散； 控制反应条件和有机无机组分的比例。
缺点：凝胶干燥过程中,由于溶剂、小分子、 水分的挥发可能引起材料收缩。
3 插层法
许多无机化合物(如石墨、层状硅酸盐、磷酸 盐等)具有典型的层状结构,层间可膨胀,可以插 入聚合物或单体分子形成复合材料。按照复合 过程,可分为三类即单体原位聚合法、聚合物溶 液插层、聚合物熔体插层。
②溶液插层法 将层状填加物浸入聚合物溶液中，直接把 聚合物嵌入到无机物层间，利用力学或热力学作用， 使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚 合物基体中形成高分子纳米复合材料。
聚合物大分子溶液插层工艺示意图
③熔体插层 先将聚合物熔融，然后再借助机械作用力直接将聚合物
嵌入层状无机材料间ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中，制得高分子纳米复合材料。
①、溶液共混法 把基体树脂溶于溶剂中，在树脂溶液中加入纳米粒
子后混合均匀，除去溶剂而得； ②、乳液共混法
将纳米粒子加入聚合物乳液中，并搅拌混合均匀实 现共混； ③、熔融共混
首先将聚合物加热熔融，并将纳米粒子加入聚合物 熔体内搅拌共混；
2 溶胶－凝胶法
溶胶－凝胶法是将硅氧烷或金属盐等前驱物 (水溶性盐或醇溶性盐) 溶于水或有机溶剂中 形成均质溶液, 溶质发生水解反应生成纳米级 粒子并形成溶胶。
0 - 0 复合：即不同成分,不同相或者不同种类的纳 米粒子复合而成的纳米固体,这种复合体的纳米粒子 可以是金属与金属,金属与陶瓷,金属与高分子,陶瓷 与陶瓷,陶瓷和高分子等构成纳米复合体;
0 - 3 复合：即把纳米粒子分散到常规的三维固体 中,例如把金属纳米粒子弥散到另一种金属或合金中, 或者放入常规的陶瓷材料或高分子中, 纳米陶瓷粒 子(氧化物、氮化物) 放入常规的金属、高分子及陶 瓷中;
g/cm3 MPa/(g/cm3) GPa/(g/cm3)
Al2O3P/Al
900
130
2.9
310
45
SiCP/Al
510
100
2.8
188
36
SiCf/Al
900
110
2.6
436
轧制+热处理 LY12合金
435
——— 2.9
150
42 ——
19
增韧陶瓷
德国Jullch材料研究所用粒径小于20nm的SiC粉体作 基体材料。再加入10％或20％的粒径为10μm的SiC粗 粉，热等静压下合成了纳米结构的SiC块体材料，在 强度等综合力学性能没有降低的情况下，断裂韧性提 高10-25％。
①单体原位聚合法
先将单体插层进入层状硅酸盐片层中，然后引发原位聚 合，利用聚合时放出的大量热量，克服硅酸盐片层间的作用力， 使其剥离，从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合， 获得高分子纳米复合材料。
Schematic representation of in-situ polymerization
0 - 2复合：即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中, 分为均匀弥散和非均匀弥散两大类;
纳米层状复合：即由不同材质交替形成的组分或结 构交替变化的多层膜,各层膜的厚度均为纳米级,如 Ni/ Cu 多层膜, Al/ Al2O3 纳米多层膜等。
按增强体形状划分
零维(颗粒增强)、一维(纤维、晶须增强)、二维（晶片、薄 层、叠层增强）。
第九章 纳米复合材料
高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切 ，纳米技术为发展高性能新材料和对现有材料的性 能进行改善提供了一个新的途径。
纳米复合材料与传统复合材料在结构和性能上有明 显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物 理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。
纳米材料的 典型代表-纳
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§7-4 聚合物纳米复合材料
一、聚合物纳米复合材料的种类
1.金属/聚合物纳米复合材料
利用金属纳米粒子与聚合物复合可以制备具有 导电性、磁性、自润滑、低磨耗以及生物活性的功 能性聚合物基纳米复合材料。常用的金属有Au、Ag、 Al 、Fe 、Cu 等。例如Krasnov 等将Fe纳米粒子 插入超高分子聚乙烯(UHMWPE) 的晶区缺陷和非晶 区空隙中制得Fe/UHMWPE 复合材料,铁粒子在高速 摩擦化学过程中起着活性中心的作用, 复合材料具 有低的摩擦系数, 摩擦稳定性好。
4 层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料
该类复合材料的层状硅酸盐的价格比较便宜, 能在聚 合物中均匀分散, 与聚合物产生较好的亲和力, 且制 备方法独特、科学等。漆宗能等发明了一步法制备尼 龙6/ 粘土纳米复合材料, 即将蒙脱土阳离子交换、己 内酰胺单体插层以及单体聚合在同一个分散体系完成, 在不降低产品性能的前提下缩短了工艺流程, 降低了 成本。
5 碳酸盐/聚合物纳米复合材料
CaCO3 、MgCO3 、BaCO3 、滑石粉等填料的粒度对聚合 物的性能有非常大的影响。常用的细粉填料往往导致 聚合物强度、韧性等性能的下降, 但纳米级的粒子却 可以提高聚合物的性能。
二、聚合物纳米复合材料的制备方法
1.共混法
与传统聚合物共混改性的方法相类似,将纳米粒子 与聚合物共混改性,主要包括熔融共混、溶液共混、 乳液共混法。 共混法的优点是简单易行,尤其是熔融共混,易于工 业化生产。但其最大的技术难题就是纳米粒子的解 团聚问题－－降低纳米粒子的表面能。
纳米ZrO2/Al2O3增韧陶瓷
发动机用陶瓷部件
20
纳米陶瓷增韧原因： “细化理论”，认为纳米相的引入能抑制 晶粒的异常长大，使得基体结构均匀细化， 从而提高纳米陶瓷复合材料的韧性。
21
纳米陶瓷增韧原因： “穿晶理论”，认为纳米复合材料中，基体 颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗 粒包裹在基体晶粒内部形成晶内型结构，减 弱主晶界的作用，诱发穿晶断裂，从而提高 强度和韧性。