有机无机复合技术进展

增硬透明涂层 纳米复合涂层能够防止土壤和其他材料对 外装件的刮伤而延长其使用寿命，另外也可以用于涂覆 透明部件，如前挡光板、头等，降低反射作用 汽车窗玻璃（钢化玻璃）—塑料化，减重 耐划伤、耐光老化等 照明灯具（金属、无机玻璃）---塑料，减重，造型多变 耐热性、冲击性能好、耐热老化、耐环境应力开裂和良好 的光学性能
该公司采用了独特的高强度化工艺使泡沫骨架强化，机 械强度加工性能得到改善。这种泡沫碳化硅具有均一三 维网状结构，气孔率高，透气性好；电阻率低，热导率 极高，耐热冲击性能好，加工性能好，得到广泛应用。
无机粒子的有机高分子胶囊化
以无机粒子为核，有机高分子在其表面形成胶束将 其胶囊化而获得有机/无机高分子材料。其中的关键是 要解决两种材料间的界面亲和性。这有两种方法：利 用无机粒子表面电荷和聚合物末端离子性基团间的静 电相互作用，或使无机粒子表面吸附对两种材料都具 有亲和性的聚合物，以这种粒子作为介质，起到高分 子层的粘接作用。
纳米复合材料的性能
热学性能 ① 导热性能 根据报道，纳米管的最高导热系数在103W∕mK量级， 而大部分有机材料的导热系数仅仅在0.1 W ∕mK左右。 由于单个的碳纳米管具有优良的导热性能，所以大家 期望在一些导热性差的基体材料中加入碳纳米管，借 以提高复合材料整体的导热性能，使之能在印制电路 板、热界面材料、取暖器等热控制系统中应用。
有机材料 优点：强度高、弹性好、耐磨和耐化学腐蚀 缺点：易燃、易老化等 无机材料 优点：绝缘、保温性能好、硬度大、耐高温、抗腐蚀 缺点：抗断强度低、缺少延展性、密度较大，制造工 艺较复杂等
我们不难发现有机无机材料各自的优缺点是互补的， 如何才能综合两者的优点，取长补短，从而在力学、 光学、热学、电磁学和生物学等方面赋予材料许多 优异的性能呢？
有机泡沫法
以日本东海碳素公司制造并销售的泡沫碳化硅为例加以 介绍。应用与一般泡沫陶瓷同样的方法来制造泡沫碳化 硅，即在聚氨酯泡沫等有机泡沫体上附着好碳化硅陶瓷 粉浆料，然后在高温下烧掉母体有机泡沫，便可以得到 所需要的泡沫碳化硅陶瓷。其流程如下:
陶瓷粉浆料
有机泡沫
含浸料浆泡沫
除去剩余浆料 烧结
纳米复合材料的性能
① ② ① ② 力学性能 微粒的尺寸 界面 热学性能 导热性 热稳定性 介电性 阻燃性
纳米复合材料的性能
力学性能 制备复合材料的目的之一就是增大材料的强度。复合 材料的断裂强度值依赖于材料中最脆弱的断裂路径。当 基体中加入硬度较大的粒子时，对其材料整体力学性能 有两种不同的影响：一种是粒子导致应力集中，从而使 材料性能下降；另一种是粒子阻碍了裂纹的生长，从而 是材料的整体力学性能增强。 一般来说，在强度相对较弱的基体中添加硬度极大的 微米或纳米级的无机填充粒子，都可以令复合材料的硬 度有较大的提高。
复合材料的发展历程
聚酰亚硝胺基体 使用温度不超过200℃ 金属基体 使用温度范围是170 ℃ -900 ℃ 陶瓷基体 使用温度范围是1000 ℃ -2000 ℃ ---第三代现代复合材料
有机无机纳米复合材料
纳米复合材料：由两种或两种以上的固相至少在一 个方向以纳米级（1nm—100nm）复合而成的复合材 料。纳米相与其他相间通过化学（共价键、离子键 等）与物理(氢键等)作用在纳米水平复合，即相分离 尺寸不得超过纳米数量级。 三种基本的物理相：一种是连续的基体相；另一种 是分散相，被基体包围，成为增强相；第三种是界 面相。
纳米复合材料的性能
①
热稳定性 随着温度的增加，材料因热分解会分解出易挥 发的产物，影响材料的稳定性。 一般来说，将层状的硅酸盐同高分子复合，由 于硅酸盐是优良的热绝缘体，而且它能够阻碍高 分子热分解产生的小分子逸出，最终增强材料的 热稳定性。
纳米复合材料的性能
介电性 介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储 蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表 示。材料应用高频技术时，如实木复合地板采用高 频热压时介电性能是非常重要的性质。介质在外加 电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场 （真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数 (permittivity),又称诱电率。
纳米复合材料的性能
阻燃性 传统阻燃剂：卤系阻燃剂和磷系阻燃剂。他们能赋予 材料优良的阻燃性能，且性价比高。 而很多纳米阻燃剂（蒙脱土，Al(OH)3）在燃烧时不会 放出有毒气体，这是其应用与阻燃剂材料的优势之一。 纳米复合材料的阻燃机理定性解释： 当复合材料点燃后，表面会迅速生成一个碳与纳米微 粒的混合层。这种碳层会阻止内部高分子继续裂解生成 可燃性小分子，从而终止燃烧。纳米结构的存在使得碳 层有足够的强度不在燃烧过程中碎裂。
传统有机无机复合材料制备
溶胶-凝胶法 有机泡沫法 无机粒子的有机高分子胶囊化 共混法 覆盖反应法 无机离子填充法 无机氧化物后接枝法
有机无机纳米复合材料制备
嵌入法
纳米微粒填充法
传统有机无机复合材料制备
溶胶-凝胶法
用四烷氧基硅烷类化合物作原料，先水解然后将 生成的溶胶与水、低级醇混合。其方法就是将各种 金属的醇盐水解，缩合生成线状或三维结构聚合物， 然后将生成的凝胶干燥、热处理、烧结得到金属氧 化物，再同高聚物通过一定的工艺条件合成复合材 料。
有机无机复合纳米材料
纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于100纳 米的复合材料。由于纳米尺度效应、体积效应和宏 观量子效应，使纳米复合材料的性能优于相同组分 常规复合材料的物理化学性能，并可制得 各种功能 复合材料，如磁性、内压、光吸收、热阻、化学活 性等复合材料。因此将纳米粒子用于制备功 能材料 的前景十分光明。
在医学方面的应用---如骨修复材料 金属：重金属离子有毒，材料易被腐蚀 无机材料：脆性大，弹性模量低，断裂韧性和机 械强度低 有机无机复合材料：高分子材料具有较高的拉伸 强度、抗弯强度和弹性模量。有些高分子材料具 有良好的细胞相容性和抵抗原，且降解产物安全， 可作为细胞外基质，被人体吸收
有机无机复合材料的制备
利用溶胶凝胶方法制备出一类新型的有机/无机复合 材料是探索高性能材料的一个重要途径。优点有： 兼具有机无机的特点，其分散度可以达纳米或分子 水平，所需要的功能可以通过有机基团和无机网络 引入到材料当中，在制备快离子导体、涂料、波导 以及光电光色等材料方面已表现出广阔的应用前景， 是一种很有发展前途的新型复合材料。
有机无机复合的技术进展
主要内容
简介 发展现状 最新研究 未来走向 有机无机纳米复合材料发展历程及相关 应用 有机无机复合材料的制备 有机无机复合介电材料的探究 有机复合材料具体应用
有机材料和无机材料
有机材料：指由有机化合物组成的材料，主要元素 为碳元素和氢元素。最典型的有机材料有棉花、塑 料、橡胶等。 无机材料：无机材料指由无机物单独或混合其他物 质制成的材料。无机材料一般可以分为传统的和新 型的无机材料两大类。传统的无机材料是指以二氧 化硅及其硅酸盐化合物为主要成分制备的材料，因 此又称硅酸盐材料。新型无机材料是用氧化物、氮 化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种 非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。生活 中比较常见的有玻璃、水泥、粒的特点之一就是具有较大的比表面积，纳米 微粒是材料强度显著增大的作用主要如此相关。比表 面积越大，纳米微粒与基体之间的界面越多，越容易 产生相互作用。另外，纳米材料的表面活性很大，当 纳米微粒与基体材料复合的同时，界面肯产生化学键， 是二者紧密结合。 微粒的尺寸 当分散粒子的尺寸量级足够小时，这些粒子的比表面 积就会很大。对于球形的微粒，粒径越小，其总的表 面积越大，应力能够更有效的由基体转移到微粒本身。
2.光电元件 纳米半导体的介电特性和压电特性同常规的半导体 材料有很大不同。首先，纳米半导体材料能形成稳 定的电子空穴对，结合能很大，即使室温也有很强 的激子的吸收和发射。其次，与常规的半导体材料 相比，纳米材料的介电常数随测量频率减小呈明显 上升趋势，并且某些纳米半导体也具有很强的压电 效应
纳米复合材料的性能
复合材料的导热性与很多因素相关，如纳米管的比表面、 分散性、取向等，而对于高导热性复合材料研究发的重 点就在于如何让降低材料内部纳米管之间的热阻性。 有人利用CVD方法生长了多壁碳纳米管阵列，然后通 过注射成形方法将阵列碳纳米管包覆于硅橡胶中。由于 多壁碳纳米管两端都达到了复合材料薄膜的表面，其突 出的尖端能够保证同热源形成良好的热交换。
有机无机纳米复合材料
材料在燃烧过程中表面碳层的变化是极为重要的， 纳米微粒在基体中的分散程度对纳米复合材料的阻 燃性能影响很大。只有纳米微粒良好的分散才能使 材料在燃烧是表面形成稳定的碳层结构，使得材料 内部不暴露在火焰中，也令热量难以完全传递，从 而达到减缓燃烧的目的。
有机无机纳米复合材料的应用
有机无机纳米复合材料的应用 和展望
1.仿生材料 自纳米材料问世以来，仿生材料研究的热点已开始 向纳米复合材料转移。这是因为自然界生物的某些 组织或器官实际上就是一种天然的纳米复合材料。 预计未来对于材料需求包括：（1）人体修补材料 （2）源于生物的材料（3）受生物启发的过程（生 物传感器、生物芯片等）
有机无机复合纳米材料优势
与传统的有机无机复合材料相比，有机无机纳米复 合材料兼具无机物与有机聚合物的优点 。无机纳米 粒子与聚合物间的界面是微观的，而不是宏观的， 甚至是分子级水平的，由于无机纳米粒子的表面积 很大，所以无机纳米粒子与聚合物的界面面积很大， 这就大大降低了界面应力集中，消除无机物与有机 物基体之间热膨胀系数不匹配问题，充分发挥无机 物分子的优异力学性能、高耐热性和聚合物的可加 工性，有机无机纳米复合材料物理性能明显优于相 同组分的常规复合材料。
复合材料的发展历程
1940年，世界上第一次使用 玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂 制造了军用飞机雷达罩。 1942年，用手糊工艺制成了 第一艘玻璃钢渔船。 玻璃钢---第一代复合材料
复合材料的发展历程
现代技术对高级复合材料 的要求是：比强度高，比刚 度高，剪切强度和剪切模量 高，高温性能和耐热性高。 硼纤维、碳纤维、芳纶纤 维增强塑料基复合材料--第二代现代复合材料
有机无机复合材料简介
定义：复合材料是指结合两种或两种以上不同有机、 无机相的物质以物理方式结合而成，撷取各组成成 分的优点，以构成需要的结构。往往以一种材料为 基体，另一种材料为增强体组合而成。各种材料在 性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料 的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 高聚物基复合材料PMCS最先得到发展，已有半个多 世纪的历史，在工业、民用、航天航空、生态、智 能等领域取得了广泛的应用。
3.催化剂 纳米颗粒由于尺寸小、表面积大、表面原子配位不 全等导致表面的活性增加，从而具备了催化剂的基 本条件。已在各种有机反应，如乙醇脱水、氧化脱 氢、聚合反应等中作为催化剂。这种催化剂的特点 是可以进行修饰以及选择催化。
4.聚合物基微波复合材料 微波介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段(主要是 UHF、SHF频段，300MHz～300GHz)电路中作为介质材 料并完成一种或多种功能的陶瓷。主要用于用作谐 振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元 器件。它的优点有：介电常数高，就能使器件实现 小型化。稳定性高，并且损耗非常小。
①
纳米复合材料的性能
① 界面 纳米微粒在制备成纳米复合材料之前，一般都会进 行表面处理。对纳米微粒表面处理的思路是是纳米微 粒的表面带有断键残键，从而表面电荷与基体材料之 间形成共价键、离子键、配位键或者亲和作用的基团。 目的：一是防止纳米微粒团聚，二是改善纳米微粒与基 体材料的相容性。 这些微粒在加工的过程中能够很好的分散，并且能 够与基体形成较强界面作用力，从而提高纳米复合材 料的性能