有机无机复合材料

有机无机复合材料

一、有机、无机复合材料的定义

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，以构成需要之结构材。往往以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。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PMC S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[1]。

有机、无机复合材料即用有机材料与无机材料通过某种方式结合而成的全新材料。复合后的新材料具有有机、无机材料的各自优点，并且可以在力学、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，正在成为材料科学研究的热点之一。目前，国内外这方面的研究成果正不断见诸报道[2,3]。

二、有机、无机复合材料的特点

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

三、有机、无机复合材料的应用

1 有机一无机纳米复合材料

纳米复合材料是一类新垫复合材料，它是指一种或多种组分以纳米量级的微粒，即接近分子水平的微粒复合于基质中构成一种复合材料．纳米复合材料因其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域，将给材料的物理和化学性质带来特殊的变化，正日益受到关注．纳米材料被誉为21世纪最有前途的材料”，该类材料研究的种类已经涉及到无机物、有机物和非晶态材料等．

有机一无机纳米复合材料因其综合了有机物和无机物各自的优点，并且可以在力学、热学、光学、电磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能，正在成为材料科学研究的热点之一．

<1> 有机一无机纳米复合技术

最先制得的纳米复合材料是无机纳米复合材料，如金属、非金属．陶瓷和石英玻璃等．目前，纳米复合材料研究的种类已涉及到有机物和非晶态材料等．各

国首先着重于纳米复合材料制备方法的研究，特别是薄膜制备法的研究．纳米复合方法常用的有三种：溶胶一凝胶法、嵌入法和纳米微粒填充法．其中溶胶一凝胶法较早用于制备有机一无机分子杂化材料或纳米复合材料；嵌入法在分子材料领域表现出很好的前景，特别是将不同的性能综合到单一的材料中去．

<1.1>溶胶一凝胶法(Sol—Gel Process)

在l8世纪中期,Ebelman和GrahmanC 在对二氧化硅凝胶的研究中，产生了用溶胶一凝胶工艺制备无机陶瓷和玻璃的兴趣．溶胶一凝胶产品最早出现在50年代，除了粉末材料外，多孔固体、纤维、涂层和薄膜也相继被制备．溶胶一凝胶工艺的基本过程是液体金属烷氧化物M(OR) (M为si、T 等元素，R为cH 、CIHs等烷基)与醇和水混合，在催化剂作用下发生如下水解一缩合反应：

水解反应TEOS+4H2O—Si(OH)4+4EtOH

缩合反应Si(OH)4+Si(OH)4J→(HO)3Si—O—Si(OH)3+H2O

当另外的-=Si-OH四配位体互相链接，则发生如下缩聚反应，并最终形成三维的siO。凝胶网络．

(OH)3 Si-O-Si(OH)3+6Si(OH)4→((HO)3Si-O)3Si-O-Si (O—Si(OH)3)3+6H2O

凝胶的结构取决于水解反应速率和缩合反应速率。影响速率的因素包括：温度、溶剂的性质、烷氧化物先驱体的性质、电解质(酸、碱)的性质和浓度、R比值(H

2O]／[TEOS])和压力等．

近年来，利用金属烷氧化物的溶胶一凝胶反应与聚合反应巧妙的组合，制备有机一无机纳米复合材料已成为材料科学新的热点．通过选择不同的原料和控制合成反应，可以制备出具有不同性能和满足广泛需要的有机一无机纳米复合材料[4]．溶胶一凝胶法已被越来越广泛地应用到电子陶瓷、光学、热学、化学、生物学以及复合材料等钡域．

<1.2>嵌入法(Intercalation Process)

嵌入法是将客体嵌人到层状结构的主体中去的复合方法，它包括：(1)将有机单体分散到无机介质中，然后引发单体进行原位聚合反应，有机高分子嵌入无机片层结构中，如尼龙6／粘土纳米复合材料[5];(2)将高聚物直接嵌人到片层结构的无机主体中去．如果主体结构可以制备成胶体溶液，如层状主体剥离后产生单片胶体，则剥离／吸收工艺被证明可以在室温下成功地制备台有大量层状固体与可溶性高聚物的纳米复合材料[6]．在制备多性能材料领域，嵌入法提供了一种可替代Sol—Gel的方法，尤其在某些特殊场合可以获得更好的结晶性，在要求协同作用时，这是一个至关重要的因素．

<1.3>纳米微粒填充法(Nanolmrtitle-Filling)

该方法可分两种：一种是将纳米量级的颗粒如SiO2。等制成胶体溶液，然后与高聚物溶液混合均匀，蒸发掉溶剂即成纳米复合材料，如无机颗粒嵌入到高聚物基体中，或有机组分嵌入到无机基体中．另一种是无机小粒子分散到有机单体中，然后引发单体聚合，无机颗粒包裹在有机基体

中．

2 纤维增强复合塑料(FRP)

FRP--(Fiber Reinforced Plastics )纤维增强复合塑料，根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP），碳纤维增强复合塑料（CFRP），硼纤维增强复合塑料等；