化学与复合材料

(4)宏观量子隧道效应：微观粒子具有 贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子 的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等 也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统 的势垒而产生变化，被称为纳米粒子的宏 观量子隧道效应。扫描隧道显微镜的基本 原理就是基于量子隧道效应. 宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘 进行信息存储的时间极限。
纳米材料既不同于宏观物体，又不同于微 观粒子，正好处于中间地带。具有纳米尺度的 物质由于其结构的特殊 性，使纳米材料具有许 多特殊的性能。
碳纳米管
1. 纳米材料的性能
(1) 小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量 级时，一定条件下导致材料宏观物理、化学性 质发生变化。 由于比表面积大大增加，使纳米材料具有 极强的吸附能力。如光吸收显著增强；纳米陶 瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%；纳米微 粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K， 而2nm的金微粒的熔点只有600K。
由于玻璃钢比重小、强度高、耐腐蚀、
耐燃且成型性能好，现已广泛用于汽车车身、
氧气瓶、轻型船体及石油化工的管道、阀wk.baidu.com等。
缺点是刚性差，易变形，耐热性能差，
易老化。
(2) 碳纤维增强复合材料
碳纤维增强材料与树脂基体组成的材料称 为碳纤维增强复合材料。 这类材料保持了玻璃钢的许多优点，而且 性能优于玻璃钢。因此 可作宇宙飞行器的外层 材料，人造卫星和火箭 的机架、壳体等。
(2)表面效应：指纳米粒子表面原子数 与总原子数之比，随粒径的变小而急剧增 大后所引起性质上的变化。 例如，5nm的粒子，表面原子占50%； 而2nm的粒子，表面原子占80%。 表面原子增加，使表面能增高，大大 增强了纳米粒子的化学活性，使其在催化、 吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越 性。
(3)量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸 进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的 能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大， 这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。 这种量子尺寸效应导致纳米粒子具有与 宏观物质截然不同的反常特性。 例如，粒径为20nm的银微粒在温度为1K 时出现由导体变为绝缘体的现象。
作用。且自振动频率高，不易产生共振。
4. 高温性能好
复合材料在高温下强度和模量基本不变。
5.4.3 重要的复合材料
1 . 纤维增强复合材料
(1) 玻璃纤维增强复合材料
以树脂为基体，玻璃纤维为增强材料制成 的复合材料。 玻璃纤维是由熔 融的玻璃经快速拉伸, 冷却所形成的纤维。 玻璃纤维增强工程塑 料即玻璃钢。
2 纳米材料的制备
纳米微粒的制备方法有很多种，按反 应性质可分为物理法、化学法； 按制备系统和 状态又可分为气相 法、液相法和固相 法三大类。
气相法是直接利用气体或通过各种手 段将物质变成气体，使之在气体状态下发 生物理变化或化学变化，最后在冷却过程 中凝聚长大形成纳米微粒的方法。 气相法包括蒸发法、化学气相反应法、 化学气相凝聚(沉淀)法和溅射法等。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术 (Nano Science and Technology,简称NST)会议 在美国巴尔的摩召开，标志着纳米科学技术 的正式诞生。 最初纳米材料(Nano material)是指粒径为 1100nm的超细颗粒和由超细颗粒构成的薄膜 和固体。现在，广义地纳米材料是指在三维空 间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作 为基本单元构成的材料。
复合材料由两部分组成：基体相(连续相)
和增强相(分散相)。
基体相是连续相材料，把改善性能的增 强相材料粘结在一起，起粘结剂的作用。 增强相大部分是高强物质，起提高强度 或韧性的作用。
复合材料按增强相形状
可分为三类：
1 纤维增强复合材料 2 层合增强复合材料 3 颗粒增强复合材料
按基体相材料类型可分为三类： 1 树脂基复合材料
(3) 硼纤维增强复合材料 硼纤维是一种强度、刚度均比碳纤维高的 纤维。硼纤维增强复合材料是硼纤维增强材料 与树脂基体组成的复合材料。用作高温材料， 但因为价格昂贵，应用受到限制。主要用于航 空工业。
2 . 层合增强复合材料
(1) 双层金属复合材料
双层金属复合材料是将特性不同的两种金 属，用胶合或者熔合铸造、热压、焊接、喷涂
化学气相反应法中的等离子体化学气 相合成是目前最先进的一种方法，其制备 过程为： 产生等离子体→原料蒸发→化学反 应→冷却凝聚→颗粒捕集→尾气处理 我国近来利用该法成功地合成出纳 米Si3N4粉体，平均粒度为20nm，纯度达 97%。
化学气相沉淀法:在制备SiC-C纳米复 合材料时,采用SiCl4-C3H8-H2系统,在Si/C比 为0~2.8的条件下,最佳温度为1600K时,可 获得SiC-C纳米级粉体.
5.4
化学与复合材料
5.4.1 复合材料概论 5.4.2 复合材料的技术性能 5.4.3 重要的复合材料 5.4.4 纳米材料
5.4.1 复合材料概论
复合材料(composite material)是有机高分 子、无机非金属或金属等几种不同材料，通过 复合工艺组合而成的新型材料。或者说是由两 种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料 组合而成的多相固体材料。
等方法复合在一起以满足某种性能要求的材料。
(2) 夹层复合材料 夹层复合材料是性质完全不同的表面材料 与芯材复合而成的一种材料。
3.颗粒增强复合材料
颗粒复合材料是一种或多种材料的颗粒均 匀分散在基体材料内所组成的材料。
尼龙6/粘土纳米复合材料
5.4.4 纳米材料
根据人类的需要，逐个操纵原子来制造 产品，这是人类关于纳米技术最早的梦想。 1981年，扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) 的发明，向人类揭示了一个可见 的原子世界，极大的促进和推动 了纳米技术的快速发展。
2 金属基复合材料
3 陶瓷基复合材料
5.4.2 复合材料的技术性能
1. 比强度和比模量高
比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量 (弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚 性大。
2. 良好的抗疲劳性能
疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复 合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。
3. 减振性能好
在工作过程中振动问题十分突出，复合材 料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收