纳米复合材料.

个基本问题，从而提高纳米复合材料的力学性能。
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蒙脱土插层聚合物基复合材料

蒙脱土（Montmorillonite，MMT）是一种层状硅酸盐结构。
片层由硅氧四面体亚层和铝氧八面体构成，厚 0.66 nm 左右。

片层之间通过 Na+、Ca2+等金属阳离子形成的微弱静电作用
结合在一起，一个片层与一个阳离子层构成 MMT 的结构
单元，厚度为 1.25 nm （Na+）左右。

通过插层聚合、溶液插层、熔融插层等方法可以将聚合物
链插入 MMT 的片层之间，形成具有插层结构或剥离结构
的聚合物/MMT 纳米复合材料。
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合成和使用带有极性基团的插层剂、反应性插层剂和带有特殊 基团的插层剂是聚合物/MMT 复合材料研究的关注热点。 新型插层剂能够提高插层效率，改善插层效果，并且提高聚合 物/MMT 纳米复合材料的各项性能。 利用熔融聚合法能够制备多种具有不同结构的聚合物/MMT 纳米复合材料，在许多聚合物体系中，需要引入相容剂以提高 聚合物基体与 MMT 之间的相互作用力，从而改善 MMT 的 分散状况并提高复合材料的各项性能。 考虑聚合物基体的基本特征和体系自身的独特性，选用或设计 合适的插层剂或相容剂，是研究工作能否成功的关键。



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5.3 陶瓷基纳米复合材料

陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐高温、耐腐蚀等其 他材料无法比拟的优异性能。

在基体中引入纳米级的 SiC 制备出纳米陶瓷复合材料， 不仅提高基体材料的室温力学性能、高温性能，同时发 现具有可切削加工性和超塑性。

根据弥散相的不同和基体尺寸可分为晶内型、 晶界型、 晶内/晶界混合型、纳米/纳米型。
4) 使颗粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能。
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纳米 SiO2的表面改性根 据表面改性剂与粒子表 面之间有无化学反应可 分为物理吸附、包覆改 性和表面化学改性。

改性剂使 SiO2 表面带上 具有特定化学活性的有 机基团，改善 SiO2 粒子 与各种有机溶剂及聚合 物基体之间的相容性。

碳纳米管与大多数金属不润湿，因此碳纳米管与金属基体很难
形成牢固的结合界面，从而影响了碳纳米管增强效果的发挥，
使得制备的复合材料很难达到理想的性能指标。

解决该问题的方法就是对碳纳米管进行改性，在碳纳米管表面
涂覆金属层，一般为基体金属。

碳纳米管增强金属基复合材料可能的增强机制主要是弥散强化 和桥连强化，但目前还没有建立起相关的增强模型。
量子效应，因此能表现出常规材料所不具备的优异性能。
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纳米复合材料根据基体可以分为聚合物基纳米复合材料、 陶瓷基纳米复合材料、金属基纳米复合材料、半导体纳米 复合材料。 聚合物基纳米复合材料在制备工艺、组织结构分析和性能 研究与应用方面均领先于其它两类纳米复合材料。 纳米复合材料是一个新兴的多学科交叉研究领域，涉及材 料、物理、化学、生物等许多学科，制备出适合需要的高 性能、高功能复合材料是研究的关键所在。 纳米复合材料的制备技术各具特色，各有不同的适用范围， 快捷而方便地制备出更多性能优异的纳米复合材料是今后 发展的重点。
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高能超声-铸造工艺、机械合金化-放电等离子烧结工艺、高
压扭转 ( HPT)变形技术、非晶晶化方法。

高能超声效应可解决纳米颗粒在金属熔体中团聚及润湿性 差等问题，从而保证纳米颗粒在熔体中的均匀分散，可实
现块体金属基纳米复合材料的制备。

将机械合金化和放电等离子烧结工艺结合起来，不仅可获 得接近理论密度的块体材料，而且可保留原有纳米颗粒的
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图 1 陶瓷基纳米复合材料的分类
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纳米增强颗粒均匀分散在陶瓷基质中，阻止纳米颗粒的团
聚，使其与陶瓷基体充分分散，经成型、合适的烧结制度，
制备出理想的复合材料。

陶瓷基纳米复合材料主要制备方法有机械混合法、复合粉
末法、原位生成法、溶胶-凝胶法等。

复合粉末法是目前最常用的一种方法，制备过程是先经化 学、物理过程制备含有基质和弥散相均匀分散的混合粉末，
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自组装技术是指分子及纳米颗粒等结构单元在平衡条件下，
通过非共价键作用自发地缔结成热力学上稳定的、结构上
确定的、性能上特殊的聚集体的过程。
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纳米SiO2增强聚合物基复合材料

纳米SiO2 是无定型白色粉末( 指团聚状态)，是一种无毒、 无污染的无机非金属材料。 因粒径小、比表面积大以及表面羟基的存在而具有反应活 性，从而以优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性在橡 胶、塑料、黏合剂、涂料等领域得到广泛应用。

用碳纳米管与陶瓷基体复合制备出具有高力学性能的材料，是 未来材料发展的趋势。
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6.4 金属基纳米复合材料

金属基纳米复合材料 (metal matrix nano-
composites,以下简称为 MMNCs)，兼有高的强
度和良好的韧性等综合性能。

由于纳米颗粒的表面效应和高的活性，纳米颗 粒不仅与液态金属的相容性差，而且在固态烧 结过程中也容易急剧长大。
然后烧结成型，得到纳米复合材料。
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增强增韧机理：纳米增强相颗粒细化了基体晶粒，使断裂模式
由沿晶断裂变为穿晶断裂，强化了晶界，由于纳米颗粒高的硬
度和强度，使裂纹偏转、弯曲，扩展路径更加曲折，消耗更多 的能量，纳米颗粒对裂纹还具有钉扎作用，固定裂纹，使复合 材料的性能得以提高。

在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强 度和断裂韧性大大提高 2～4 倍，最高使用温度提高 400～ 600℃。

层片状材料为增强体的聚合物基纳米复合材料中，以蒙脱 土插层聚合物基复合材料最具代表性。
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共混法是制备聚合物纳米复合材料最直接的方法，将无机纳
米微粒或超微粉直接分散于有机基体中制备得到纳米复合材
料。

溶胶-凝胶法是将硅氧烷或金属盐等前驱体溶于水或有机溶剂
中形成均质溶液，在酸、碱或盐的催化作用下促使溶质水解，
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基本特点 制备方法 组织性能 应用领域
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5.2 聚合物基纳米复合材料

以无机纳米微粒或超微粉、纤维、层片状材料为增强体， 以聚合物为基体的复合材料。

以无机纳米微粒作为增强体的复合材料，其代表性的是纳 米SiO2增强聚合物基复合材料。

纤维增强聚合物基纳米复合材料中，以碳纳米管增强聚合 物基复合材料研究得比较广泛。


由于纳米 SiO2表面能大、易于团聚，通常以二次聚集体的 形式存在，限制了其超细效应的充分发挥，在有机相中难 以浸润和分散。
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纳米SiO2的改性是改变其物化性质，提高其与有机分子的相
容性和结合力。

改性希望达到的目的包括： 1) 改善或改变粒子的分散性; 2) 改善耐久性, 如耐光、 耐热、 耐候性等; 3) 提高颗粒表面的活性;
生成纳米级粒子并形成溶胶，溶胶经溶剂挥发或加热等处理 转变为凝胶，从而得到纳米复合材料。

插层法是将聚合物或单体插层于层状结构的无机物填料中， 使片层间距扩大，在随后的聚合加工过程中被剥离成纳米片 层，均匀分散于聚合物基体中而得到纳米复合材料。
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原位分散聚合法，又称在位分散聚合法，是一类最简单、
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6.5 纳米Βιβλιοθήκη 合材料的应用一、聚合物基纳米复合材料的应用



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聚丙烯(PP)具有来源丰富、价格便宜、易加工、力学性能好、 密度小等一系列优点而成为当前一种综合性能良好的通用 塑料，被广泛应用于汽车、化工、建筑、电气等行业。 但 PP 冲击强度差、低温脆性大、硬度低、成型收缩率大、 不耐老化、耐热性差等缺点严重限制了它被更广泛的应用。 对PP进行增韧增强改性已成为广大科研工作者研究的热点 和重点。 插层法制备聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料是近年来研究的热 点，蒙脱土改性聚丙烯的研究已取得了一定的进展，但离 工程化的要求还存在一定距离。



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碳纳米管增强聚合物基复合材料

碳纳米管（CNT）的拉伸强度接近200GPa，弹性模量也 高达1TPa，断裂延伸率高达 20%～30%，均远高于碳纤 维，同时还具有优异的热和电性能。 碳纳米管在基体中的分散，最常用的方法是物理机械方法， 如超声分散法和高速剪切法。 碳纳米管复合材料的界面。碳纳米管几乎是由排列成正六 边形的 SP2杂化的碳原子组成，因此它对绝大多数有机物 来说是惰性的。 界面粘结很差，影响复合材料性能提高。对CNT进行官能 化改性是改善复合材料界面的重要方法。
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纳米 SiO2 作为补强剂，在普通橡胶中添加少量后, 产品的强 度、耐磨性和抗老化性等性能均能达到甚至超过传统高档橡 胶制品，而且能生产出色彩新颖、性能优异的橡胶制品。

如纳米 SiO2改性的橡胶材料，可以保持颜色长久不变，彩色
轮胎侧面胶的抗折性能由原来的 10 万次提高到 50 万次以上。
尺寸和特征。
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图3
不同应变量下 HPT工艺的 W-25Cu复合材料的组织
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图4 Mg65Cu25Nd10大块金属玻璃的DSC曲线及335℃处理后的TEM照片
L.J. Huang, et al. Journal of Alloys and Compounds 432 (2007) 172–176 40
纳米材料科学的发展为复合材料的研究开辟了新的领域。 纳米复合材料通常定义为，在多元复合组成中，至少有 一种固相至少在一维上处于纳米尺度范围内。