第五章纳米复合材料
纳米复合材料范文
纳米复合材料范文纳米复合材料的制备方法多种多样，包括溶液法、凝胶法、化学气相沉积等。
其中，溶液法是一种常用的制备方法，其步骤主要包括纳米颗粒的制备和纳米颗粒与基体材料的混合。
制备纳米颗粒的方法包括溶胶凝胶法、球磨法、热溶胶法等。
然后通过将纳米颗粒与基体材料进行混合，形成纳米复合材料。
通过在复合材料中引入纳米颗粒，可以改善材料的机械性能和热传导性能。
例如，将纳米颗粒引入到金属基体中可以显著提高材料的强度和硬度；将纳米颗粒引入到聚合物基体中可以增加材料的韧性和耐磨性。
此外，纳米颗粒的高比表面积和尺寸效应也可以改善材料的光学和电学性能。
纳米复合材料的应用领域广泛。
在汽车工业中，纳米复合材料可以用于制造轻量化零部件，提高汽车的燃油效率和减少尾气排放。
在航空航天领域，纳米复合材料可以用于制造耐高温材料和轻量化结构材料，提高飞机的性能和降低重量。
在电子技术领域，纳米复合材料可以用于制造高性能的半导体器件和导电粘合剂。
在能源储存和转换领域，纳米复合材料可以用于制造高效的太阳能电池和储能材料。
然而，纳米复合材料也面临一些挑战和问题。
首先，纳米颗粒的制备和纳米复合材料的制备需要精确的控制和复杂的操作，增加了材料的制备成本和工艺复杂性。
其次，纳米颗粒的分散性和稳定性对纳米复合材料的性能有重要影响，而纳米颗粒的分散和稳定性往往是一个挑战。
此外，由于纳米颗粒的尺寸效应，纳米复合材料的性能通常会受到尺寸效应的影响，这需要更深入的研究和理解。
综上所述，纳米复合材料具有独特的特性和广泛的应用潜力。
通过精确控制纳米颗粒的制备和纳米复合材料的制备过程，可以获得具有优异性能的纳米复合材料。
随着纳米技术的不断发展，纳米复合材料将在许多领域中发挥越来越重要的作用。
纳米复合材料的应用
率。
提高循环寿命
纳米复合材料可以提高锂离子电 池的循环寿命，使其在多次充放
电过程中保持稳定的性能。
提高安全性
纳米复合材料可以改善锂离子电 池的安全性能，降低其燃烧和爆
炸的风险。
超级电容器
1 2
提高储能密度
纳米复合材料可以作为超级电容器的电极材料， 提高其储能密度，从而增加电容器的储能能力和 输出功率。
纳米复合材料的应用
目录
• 纳米复合材料的简介 • 纳米复合材料在能源领域的应用 • 纳米复合材料在医疗领域的应用 • 纳米复合材料在环保领域的应用 • 纳米复合材料在其他领域的应用
01 纳米复合材料的简介
定义与特性
定义
纳米复合材料是由两种或两种以 上材料组成，其中一种材料为纳 米尺度（1-100纳米）的复合材 料。
提高充放电速度
纳米复合材料可以提高超级电容器的充放电速度， 使其在短时间内完成充电和放电过程。
3
提高稳定性
纳米复合材料可以提高超级电容器的稳定性，使 其在长时间使用过程中保持稳定的性能。
03 纳米复合材料在医疗领域 的应用
药物输送
利用纳米复合材料作为药物载体， 能够实现药物的精准输送和靶向 释放，提高药物的疗效并降低副
04 纳米复合材料在环保领域 的应用
水处理
纳米滤膜
01
利用纳米滤膜技术，可以有效去除水中的细菌、病毒、重金属
离子等有害物质，提高水质。
纳米絮凝剂
02
利用纳米絮凝剂的特性，可以有效吸附水中的悬浮物和有机物，
使水质变得清澈透明。
纳米光催化剂
纳米复合材料的制备及其性能研究
纳米复合材料的制备及其性能研究纳米复合材料是一种新型的材料，由于其独特的性能和广泛的应用前景，在材料科学领域引起了极大的关注。
本文将介绍纳米复合材料的制备方法以及其在不同领域中的性能研究。
一、纳米复合材料的制备方法制备纳米复合材料的方法有很多种，包括溶液法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法等。
其中，溶液法是一种常用且简便的方法。
通过将纳米材料或其前体溶解在溶剂中，然后加入适当的基体材料，并通过搅拌或超声处理使其充分混合，最后通过蒸发溶剂或其他方法得到纳米复合材料。
二、纳米复合材料的性能研究纳米复合材料具有许多优异的性能，如高强度、高韧性、热稳定性等，对于材料的性能研究具有重要意义。
以下将分别从力学性能、电学性能和光学性能方面介绍。
1.力学性能纳米复合材料的力学性能主要包括硬度、强度和断裂韧性等指标。
在纳米尺度下，由于纳米颗粒的存在，可以有效地提高材料的硬度和强度。
此外，纳米材料的增加还可以提高复合材料的断裂韧性，使其在受力时具有更好的抗拉伸和抗屈曲性能。
2.电学性能纳米复合材料在电学性能方面也有独特的优势。
纳米颗粒具有较大的比表面积，可以提高电学导率。
此外，通过控制纳米颗粒的尺寸和形状，还可以调控材料的电阻率和介电性能。
这些特性使纳米复合材料在柔性电子器件、导电材料等方面具有广阔的应用前景。
3.光学性能纳米复合材料在光学性能方面也表现出不同于传统材料的特点。
纳米颗粒在光学中呈现出量子尺寸效应，其光学性质与粒子的尺寸和形状密切相关。
通过调控纳米颗粒的尺寸和形状，可以实现材料的光学增益和频率调制等功能，广泛应用于光电子器件、传感器等领域。
三、纳米复合材料的应用前景纳米复合材料由于其独特的性能，在许多领域具有广阔的应用前景。
以下将介绍几个常见的应用领域。
1.医疗领域纳米复合材料在医疗领域中具有广泛的应用，例如用于制造可降解的植入材料，用于治疗癌症的纳米药物载体等。
纳米颗粒的小尺寸和高比表面积可以提高植入材料的生物相容性和降解性能，同时也可以提高药物的载荷效率和靶向性。
高分子纳米复合材料知到章节答案智慧树2023年齐鲁工业大学
高分子纳米复合材料知到章节测试答案智慧树2023年最新齐鲁工业大学第一章测试1.关于纳米材料的表述，错误的是（）参考答案:新型管状病毒处于纳米尺度的范围内2.复合材料的英文名称（）参考答案:Composite3.纳米材料能够实现高分子纳米复合材料既增强又增韧的原因是？（）参考答案:高分子基体中的无机纳米粒子作为高分子链的交联点，增加了填料与基体间的相互作用，从而提高复合材料的强度;随着纳米粒子粒径的减小，粒子的比表面积增大，纳米微粒与基体接触面积增大，有利于改善纳米材料与基体材料的应力传递，使材料受冲击时产生更多的微裂纹，从而吸收更多的冲击能;如果纳米微粒用量过多或填料粒径变大，复合材料应力集中较为明显，微裂纹易发展成宏观开裂，反而造成复合材料性能下降;无机纳米粒子具有微裂纹阻断效应，通过能量的吸收与辐射，使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化，最终终止裂纹，不至于发展成为破坏性开裂;纳米材料的粒径对增强增韧性能有直接的贡献;无机纳米粒子进入高分子基体缺陷内，改变了基体的应力集中现象，引发粒子周围基体屈服变形（包括脱粘、空化、银纹化、剪切带作用），吸收一定的变形功实现增韧4.实现杀菌功能可以选用（）纳米Ag5.要实现具有磁性的纳米材料应该选择（）参考答案:纳米Fe3O46.提高高分子纳米复合材料性能的途径有（）参考答案:提高与基体作用力;选择具有特定功能的纳米材料;让纳米材料分散均匀;纳米材料粒径要小7.以下是nanomaterial的为：（）参考答案:MMT;CNT;rGO;石墨;GO;氧化石墨烯8.关于高分子纳米复合材料，说法正确的是（）参考答案:Rainforced phase is nanomaterial;Continuous phase is polymermatrix;It can be made by in-situ polymerization method9.高分子纳米复合材料独特的性能有：（）既增强又增韧;阻隔性;阻燃性;新功能高分子材料性能;超疏水性10.关于团聚，说法正确的是（）参考答案:指的是纳米材料的聚集;产生团聚的主要原因是其表面效应;对纳米材料进行适当的改性，可以降低团聚11.关于聚集态结构，说法正确的是（）参考答案:指的是纳米材料在使用前后所处的状态参数;二级结构包含分散状态;两种结构都包含纳米材料的粒径;二级结构包含分散程度12.关于原位聚合，说法正确的是（）参考答案:原位填充聚合就是原位聚合的一种;单体中含有纳米材料再实施的聚合13.传统的聚合物基复合材料与高分子纳米复合材料都可以既增强又增韧（）参考答案:错第二章测试1.防止纳米SiO2的团聚所使用的化学试剂是（）硅烷偶联剂2.rGO的是哪种纳米材料的英文简写（）参考答案:还原氧化石墨烯3.纳米材料的基本性质包括？（）参考答案:表面效应;宏观量子隧道效应;量子尺寸效应;小尺寸效应4.哪种结构的纳米材料可以实现负载的功能，比如载药（）参考答案:中空结构纳米材料5.纳米材料易于团聚的原因主要是纳米材料的哪种性质造成的（）参考答案:表面效应6.纳米材料的三种分类方式包括（）参考答案:按照属性分类;按照结构分类;按照维度分类7.纳米材料的特殊性质包括？（）参考答案:超疏水性质;润滑性质;光学性质;储氢性质;热学性质8.SiO2@TiO2表示以（）为核，（）为壳。
第5章聚合物无机纳米复合材料
第5章聚合物无机纳米复合材料聚合物无机纳米复合材料是一种由聚合物基质和无机纳米颗粒组成的新型复合材料。
这种材料具有聚合物的柔韧性和无机纳米颗粒的特殊性能，广泛应用于各个领域。
聚合物无机纳米复合材料的制备方法分为物理法和化学法两种。
物理法主要是通过机械混合的方式将聚合物和无机纳米颗粒混合在一起，然后经过加热或其他处理使它们相互结合成为复合材料。
化学法则是通过化学反应将聚合物和无机纳米颗粒连接在一起，形成固体复合材料。
聚合物无机纳米复合材料具有一系列优异的性能。
首先，由于无机纳米颗粒在复合材料中的分散性和界面相容性良好，使得聚合物基体的强度和刚度得到显著提高。
其次，无机纳米颗粒的独特性能也使复合材料具有特殊的性能，如高导热性、高阻燃性、耐腐蚀性等。
此外，聚合物无机纳米复合材料还具有较好的可加工性，可以通过注塑、挤出、压延等工艺加工成不同形状的制品。
聚合物无机纳米复合材料在各个领域有着广泛的应用。
在电子领域，它可以作为高导热的封装材料，提高电子器件的散热性能；在汽车制造领域，它可以制备耐高温、耐腐蚀的复合材料，用于制造汽车发动机等部件；在医药领域，它可以作为载药材料，提高药物的缓释性能；在建筑领域，它可以作为阻燃材料，提高建筑物的耐火性能。
然而，聚合物无机纳米复合材料在制备过程中仍存在一些问题。
首先，制备过程中的分散性和界面相容性控制是一个关键问题，直接影响着复合材料的性能。
其次，无机纳米颗粒的添加量和分散度对复合材料的性能也有着重要影响，需要进行合理的设计和控制。
此外，复合材料在使用过程中的耐久性和稳定性也需要进行进一步的研究和改进。
总的来说，聚合物无机纳米复合材料是一种具有广泛应用前景的材料，其独特的性能使其在各个领域都有着潜在的应用价值。
随着制备工艺的不断改进和性能的进一步提高，相信聚合物无机纳米复合材料将会在未来发展中得到更加广泛的应用。
纳米复合材料的结构和性能
可用于磁热治疗、磁热发电等领域。
04
CATALOGUE
纳米复合材料的应用
电子信息领域
1 2 3
电子封装材料
纳米复合材料具有优异的热导率和绝缘性能，可 用于电子器件的封装，提高产品的可靠性和稳定 性。
电子元件制造
纳米复合材料可应用于电子元件的制造，如电磁 波吸收材料、电磁屏蔽材料等，提高电子产品的 性能。
环境领域
空气净化
纳米复合材料可用于空气净化器的滤芯材料，吸附和分解空气中 的有害物质，提高室内空气质量。
水处理
纳米复合材料可用于水处理中的吸附剂和催化剂，去除水中的有 害物质和重金属离子。
环保材料
纳米复合材料可用于环保材料的制造，如可降解塑料、绿色包装 材料等，降低环境污染。
生物医疗领域
生物成像
高强度和硬度
纳米复合材料由于其纳米尺度的 增强相，具有高强度和硬度的特 性，能够承受更大的压力和抵抗
更高的温度。
良好的韧性
通过优化增强相的尺寸、形状和分 布，纳米复合材料可以在保持高强 度的同时具备良好的韧性，提高材 料的抗冲击性能。
抗疲劳性能
由于增强相的纳米尺度效应，纳米 复合材料的抗疲劳性能得到显著提 高，能够承受更多的循环载荷。
光学性能
良好的光学透性
01
通过选择透明基体和合适的填料，纳米复合材料可以表现出良
好的光学透性，用于制造光学器件、窗口材料等。
特殊的光学性能
02
一些纳米复合材料具有特殊的光学性能，如光致变色、荧光等
，可用于制造显示器、照明器件等。
光热转换性能
03
一些纳米复合材料可以将光能转换为热能，用于光热治疗、光
热发电等领域。
纳米复合材料的合成及其应用
纳米复合材料的合成及其应用随着科技的发展，纳米技术受到越来越多的关注，纳米复合材料是纳米技术中的重要组成部分。
纳米复合材料是将两种或两种以上的材料混合，通过特定的方式制备而成的。
通常情况下，至少一种材料的尺寸在纳米级别。
在纳米级别下，物理和化学特性的改变使得纳米复合材料具有许多特殊的性质和应用。
本文将介绍纳米复合材料的合成及其应用。
一、纳米复合材料的合成1.化学法化学法是纳米复合材料合成的一种常用方法。
该方法基于溶液中的反应，通过控制反应物的浓度以及反应条件来制备纳米复合材料。
常见的化学方法包括溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法等。
2.物理法物理法的纳米复合材料合成方式包括机械合成、物理气相沉积法、溅射法等。
机械法是指通过机械摩擦、磨碾等方法将不同尺寸、组成的原料混合在一起。
物理气相沉积法则是将金属、半导体等材料按照一定配比制备成薄膜。
溅射法则是将材料置于真空条件下，通过高能粒子轰击而得到复合材料。
3.生物法生物法是利用生物体系中的微生物、生物酶等作为催化剂来制备纳米复合材料。
该方法将两种或以上不同的物质在生物体系中进行反应，通过调控生物界面反应来控制合成的纳米复合材料的结构和性能。
二、纳米复合材料的应用1.医疗领域纳米复合材料可以应用于医疗领域，例如制备新型药物，抗肿瘤药物等。
纳米复合材料具有特殊的物理和化学特性，可以快速将药物送达各个组织和细胞内，提高疗效并减少毒副作用。
同时，利用纳米复合材料制备的医疗材料也社会关注度高。
2.环保领域纳米复合材料可以应用于环保领域，例如制备高效活性炭、油水分离技术等。
同时，利用纳米复合材料制备的污染物检测材料也能有效检测和监测环境中的有害物质。
3.工业制造领域纳米复合材料可以应用于工业制造领域，例如制备高性能材料、节能材料等。
其中，纳米合金的制备和利用对于提升材料性能、减少原材料的浪费等有着重要意义。
4.能源领域纳米复合材料也可以应用于能源领域，例如制备高效太阳能电池材料、燃料电池材料。
《纳米复合材料》PPT课件
（1）热压烧结 热等静压(HIP)也属于热压烧结的一种。它是用金属箔代 替橡胶模具，用气体代替液体，使金属箔内的陶瓷基体 和纳米增强体混合粉末均匀受压。通常所用气体为氦气、 氩气等惰性气体，金属箔为低碳钢、镍、钼等。一热等静压烧结。 与一般热压烧结法相比，HIP法使混合物料受到各向同 性的压力，使显微结构均匀；另外HIP法施加压力高，在 较低温度下即可烧结。
（1）高强度、高韧性
陶瓷基纳米复合材料，特别是氧化物系陶瓷基纳米复合材料力学 性能的明显改善大致可归结如下： (1)纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大， 起到细晶强化作用。 (2)在弥散相内或弥散相周围存在高的局部应力，这种应力是基体和弥 散相之间热膨胀失配而产生的，使冷却期间产生位错。纳米级粒子钉 扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，使基体晶粒再细化而起增 强作用。 (3)纳米级粒子周围的局部拉伸应力引起穿晶断裂，并由于硬粒子对裂 纹尖端的反射作用而产生韧化。破坏模式从穿晶和晶间到单纯晶间断 裂，晶界相(通常约10％体积的无定形相)的改变和对高温力学性能影 响的减小，使高温力学性能获得明显改善。 (4)纳米级粒子在高温牵制位错运动，从而也能使高温力学性能获得明 显改善。
基体中的显微缺陷及晶须密集处同样存在较大内应力和孔 穴的积累而形成的疲劳裂纹。 疲劳裂纹的扩展是由于裂纹前沿所形成的微孔的连接而引 起的。当裂纹的扩展遇到SiC微粒或晶须时，裂纹扩展会停 止，而等待附近其他微孔的积累、连接，再引发裂纹形成 及扩展。 含有复合基体的SiCw增强纳米复合材料，其裂纹的形成及 扩展受基体韧化的影响，因而提高了其疲劳性能。
3 抗蠕变、抗疲劳性好
颗粒增强的纳米复合材料的最小蠕变速率要比基体合金低 2个数量级；在相同蠕变速率下，颗粒增强时可比未增强 基体的蠕变应力增加1倍左右，即纳米复合材料所承受的 应力提高了1倍。 晶须增强时又要比颗粒增强时抗蠕变性能更好。 一般纳米复合材料的应力指数n明显高于基体。基体的n约 为4—5，而纳米复合材料的n约为9—20。这反映了纳米 复合材料的蠕变速率对应力的敏感性大。 颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的疲劳强度和疲劳寿 命一般比基体金属高。纳米复合材料疲劳性能的提高可能 与其强度和刚度的提高有关。
纳米复合材料1
图5-9 SiCw/A12O3纳米复合材料的强度与温度的关系 图5-10 SiCw/A12O3纳米复合材料的KIC与温度的关系
陶瓷基纳米复合材料，特别是氧化物系陶瓷基 纳米复合材料力学性能的明显改善的原因： (1)细晶强化：纳米级弥散相抑制了氧化物基体 晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大。 (2)基体晶粒再细化：在弥散相内或弥散相周围 存在高的局部应力，这种应力是基体和弥散相 之间热膨胀失配而产生的，使冷却期间产生位 错，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒 内形成亚晶界。
(3)颗粒和晶须增强金 属基纳米复合材料的 模量基本符合复合法 则。 由于颗粒与晶须增强 体材料在模量上差别 不大，因而两者对模 量的增强效果是接近 的。见图5-12。
(4) 颗粒对复合材料模量的增强效果十分明显， 但仍然低于晶须。 原因：颗粒形状对模量增强效果有一定的影响。 (5)采用颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料时， 在高温下的强度和模量一般要比其基体合金的 高。 与室温时相同，复合材料的高温强度及高温模 量也随颗粒或晶须的体积含量的增加而提高。 见图5-13。
2、 高比强度、高比模量 比强度、比模量：材料的强度或模量与密度之 比。 一般规律：材料的比强度愈高，制作同一零件 则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚性 愈大。 表5-2列出了几种典型金属基纳米复合材料的比 强度和比模量。
金属基体：大多采用密度较低的铝、镁和铁合金， 以便提高复合材料的比强度和比模量。（颗粒 和晶须增强金属基纳米复合材料） 铝基纳米复合材料：较为成熟、应用较多。 增强体材料：大多为碳化硅、氮化硅、碳化硼、 氧化铝等的纳米颗粒、晶须，其中以SiC为主。 金属基纳米复合材料的力学性能明显改善的原因? (1) 基体和增强体都将承担载荷，但颗粒与晶须 的增强效果不同。
纳米复合材料
纳米复合材料
纳米复合材料是指将纳米级的材料与宏观材料进行组合，形成新型的复合材料。
纳米复合材料具有独特的性能和应用前景，已经成为材料科学领域的研究热点之一。
本文将从纳米复合材料的定义、制备方法、性能特点以及应用领域等方面进行介绍。
首先，纳米复合材料的定义。
纳米复合材料是指在纳米尺度上，将纳米颗粒或
纳米结构的材料与宏观材料进行混合，形成新型的材料体系。
纳米复合材料通常具有高强度、高韧性、高导热性和光学特性等特点，具有广泛的应用前景。
其次，纳米复合材料的制备方法。
目前，制备纳米复合材料的方法主要包括机
械合金法、溶液法、原位合成法和化学气相沉积法等。
这些方法可以有效地将纳米材料与宏观材料进行混合，实现纳米复合材料的制备。
纳米复合材料的性能特点是本文的重点之一。
纳米复合材料通常具有优异的力
学性能，如高强度、高韧性和高硬度。
同时，由于纳米材料的特殊结构，纳米复合材料还具有优良的导热性能和光学特性，可以应用于导热材料和光学材料领域。
最后，纳米复合材料的应用领域。
纳米复合材料在材料科学、化工、电子、医
药和环境等领域具有广泛的应用前景。
例如，在材料科学领域，纳米复合材料可以用于制备高性能的结构材料和功能材料；在医药领域，纳米复合材料可以用于制备药物载体和医用材料；在环境领域，纳米复合材料可以用于污染物的吸附和催化降解等方面。
综上所述，纳米复合材料具有独特的性能和应用前景，是材料科学领域的研究
热点之一。
随着纳米技术的不断发展，纳米复合材料将在更多领域得到广泛的应用，推动材料科学的发展。
材料学中的纳米复合材料
材料学中的纳米复合材料纳米科技是一个以纳米尺度为基础的技术领域。
纳米技术运用了物理、化学、生物和工程学等多种学科的原理和方法，研究和制造功能材料和器件。
随着纳米科技的发展，纳米复合材料也引起了越来越多的关注。
本文将探讨材料学中的纳米复合材料。
1. 纳米复合材料的定义纳米复合材料是由两种或两种以上材料通过纳米级的物理或化学交互作用，形成的新型复合材料。
与传统复合材料相比，纳米复合材料具有更高的强度、硬度、韧性和耐磨性，同时也具有更好的导热性、导电性、光学性、生物相容性和防腐蚀性等性能。
由于纳米复合材料的制造技术不断发展，它们在各种领域中有着广泛的应用，如生物医学、能源、环境保护和航空航天等领域。
2. 纳米复合材料的制备方法纳米复合材料的制备方法主要有物理法、化学法和生物法。
物理法主要包括溶胶-凝胶法、电沉积法、机械合金化法和热喷涂法等。
化学法主要包括水热法、溶剂热法、高分子包埋法和微乳化法等。
生物法主要包括生物矿化法和生物合成法等。
每种制备方法都有其优缺点和适用范围。
选择合适的制备方法可以制备出高性能的纳米复合材料。
3. 纳米复合材料的应用领域纳米复合材料的应用领域非常广泛。
在生物医学领域，纳米复合材料可以用于药物传递、细胞成像和组织工程等应用。
在能源领域，纳米复合材料可以应用于太阳能电池、超级电容器和燃料电池等。
在环境保护领域，纳米复合材料可以用于污染物检测、废水处理和污染物吸附等。
在航空航天领域，纳米复合材料可以用于航空器制造、防护材料和空气净化等。
4. 未来发展方向纳米复合材料具有广泛的应用前景，但是也面临着一些挑战。
其中最大的挑战是提高制备工艺和控制材料结构的方法。
未来的发展主要需要集成先进的技术和方法来研究材料的性能和微观结构。
此外，还需要加强国际合作和知识共享，共同推动纳米复合材料的发展。
5. 结论纳米复合材料是当今材料科学中的一个重要分支，它在各个领域的应用已经成为必然趋势。
为了更好地利用纳米复合材料的优势，我们需要进一步研究纳米复合材料的原理和制备方法，以满足人们对高性能材料的需求。
纳米复合材料的制备与性能调控方法介绍
纳米复合材料的制备与性能调控方法介绍引言：纳米复合材料是一种具有高度结构性和功能性的新材料，其特点是由多个不同物质的纳米颗粒或纳米结构组成的复合材料。
通过合理设计和制备方法，能够调控其性能，使其具有多样化的应用场景。
本文将介绍纳米复合材料的制备方法和性能调控方法。
一、纳米复合材料的制备方法1. 复合材料的基本制备方法纳米复合材料的制备方法包括物理混合、机械合金、化学合成、溶胶-凝胶法等多种方法。
物理混合是将不同材料的纳米粒子进行混合，然后通过热处理或压制制备复合材料。
机械合金是将纳米粉末在球磨机中进行高能球磨，通过粉末的不断互相碰撞和摩擦使得材料产生变形和分散，最终得到纳米复合材料。
化学合成是利用化学反应将不同物质的纳米粒子合成为纳米复合材料。
溶胶-凝胶法则是通过将纳米粒子悬浮于溶胶中，然后通过热处理或化学反应凝胶得到纳米复合材料。
2. 纳米颗粒的拟合和后续组装制备纳米复合材料首先需要获得纳米颗粒，纳米颗粒的形貌和尺寸对于材料性能具有重要影响。
常见的制备纳米颗粒的方法有溶剂热法、热分解法、溶胶凝胶法、气相沉积法等。
在颗粒获得后，可以通过拟合、后续组装等方法控制纳米颗粒的排列和形貌，从而得到具有特定性能的纳米复合材料。
3. 界面工程的应用界面工程是纳米复合材料制备过程中的重要环节，它可以改善复合材料的界面结构，提高材料的力学性能和化学稳定性。
常用的界面工程方法包括表面修饰、界面亲和性调控、交联等。
例如，通过改变界面的化学性质、引入有机分子等手段，可以增强纳米颗粒与基体之间的结合，提高复合材料的强度和韧性。
二、纳米复合材料的性能调控方法1. 尺寸效应调控尺寸效应是纳米材料独特的性质之一，通过调控纳米颗粒的尺寸，可以调节材料的光学、电学和力学性能。
当纳米颗粒的尺寸达到纳米级别时，会出现量子尺寸效应，导致材料具有特殊的光学性质。
因此，通过控制纳米颗粒的尺寸，可以实现对纳米复合材料光学、电学等性能的精细调控。
纳米复合材料. 共48页
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。
11
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。
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。
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。
9
原位分散聚合法，又称在位分散聚合法，是一类最简单、 最具有代表性的复合材料制备法，一般是将无机分子前驱 体和有机分子制成混合溶液，接着加入水和催化剂使无机 前驱体发生缩聚，随后加入氧化剂引发原位聚合，所得原 料经后续干燥处理 ，即得有机-无机纳米复合材料。
先进材料的制备及加工技术
江苏大学材料科学与工程学院
1
第四讲 二维纳米材料制备
纳米薄膜简介 纳米薄膜制备技术 石墨烯及其制备
2
第五讲 纳米复合材料
5.1 概述 5.2 聚合物基纳米复合材料 5.3 陶瓷基纳米复合材料 5.4 金属基纳米复合材料 5.5 纳米复合材料的应用
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。
纳米复合材料：第5章 插层纳米复合材料
5.3 粘土的有机化处理
5.3.1.1 蒙脱土的有机化改性
蒙脱土中的钠离子更易被有机阳离子所置换，将蒙脱土 “钠化”。钠型蒙脱土与有机铵阳离子诸如脂肪烃基三甲基 氯化铵在水溶液中进行离子交换反应。 ❖ 有机阳离子改性剂的作用
（1） 将蒙脱土层间的水化无机金属阳离子置换出来； （2） 扩大蒙脱土层间距离； （3） 能与高分子化合物基体有较强的分子链结合力。
5.5 插层方法
插层方法
物理插层 化学插层
聚合物直接吸附插层
聚合物直接插层 聚合物溶液插层
聚合物熔融插层
单体插层聚合
单体插层-加成聚合 单体插层-缩合聚合
聚合物预聚体插层－聚合物预聚体插层
交联固化
5.5 插层方法
❖ 插层客体进入粘土的结果，微米尺度的粘土原始颗粒 被剥离成纳米厚度的片层单元，并均匀分散于聚合物 基体中，实现聚合物和粘土片层在纳米尺度上的复合 。粘土剥离并均匀分散是粘土插层方法制备纳米复合 材料的关键。
❖ 利用蒙脱土交换、插层和膨胀的性质，将各种有机化合物 或有机阳离子引入层间制成具有多种用途的新材料。
❖ 在蒙脱土结构中引入大分子有机化合物，使原来亲水性无 机蒙脱土改性为亲油性，称为有机蒙脱土。
❖ 有机蒙脱土通常用于油漆、油墨、化妆品、石油钻井液等 领域中的增稠剂、颜料的分散剂等。
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2、纳米高分子复合材料的优异性能
力学性能 热性能 电性能 阻隔性能 光学性能 流变性能 其他
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力学性能
利用纳米粒子的表面与界面效应特性，可以 同时提高聚合物基有机无机纳米复合材料的 刚性与韧性。
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阻隔性能
聚合物基有机无机纳米复合材料具有很好得 阻隔性能，特别是插层法制备得PCH（聚己 内酯）纳米复合材料表现出了良好的尺寸稳 定性和气体阻隔性。
如：在聚己内酯/蒙脱土体系中，纳米材料的相对透过性和传
统的填充聚合物及未填充聚合物相比，均显著下降，并随蒙脱
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三、纳米高分子复合材料
1、纳米高分子复合材料的制备方法 2、纳米高分子复合材料的优异性能 3、聚合物基纳米复合材料的应用 4、纳米颗粒/高分子复合材料存在的问题
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纳米高分子复合材料完是由各种纳米单元与有 机型高 复分合子材刚材料性料。以各种美 结方式复合韧性成型的一种新
无机 材料
尺寸稳定 性
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微乳液聚合法
Gao等在FeCl3水溶液/甲苯/甲基丙烯酸的 微乳液体系中，搅拌，回流2h，得到包覆有 甲基丙烯酸，粒径在19～27nm的Fe2O3， 然后加入适量交联剂二乙烯基苯和引发剂 AIBN。将微乳液加热到70℃维持7h，然后 用甲醇将聚合物/Fe2O3凝胶沉淀出来，制成 了无机有机复合材料。
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热性能
采用纳米粒子与聚合物复合，所得的纳 米复合材料的热稳定性通常高于聚合物 本体，且在高温时更为明显。
例：Shoichiro6研究了羟基纤维素/二氧化硅复 合材料的热稳定性，发现随二氧化硅含量的增 加，纳米复合材料的热失重温度提高。Biplab 等研究制备的P3HT/蒙脱土纳米复合材料力学 性能和热稳定性提高非常显著，1％的蒙脱土含 量就显示最大的热稳定性。
多聚离子聚合物，与纳米微粒通过层层自组 装过程，得到分子级有序排列的聚合物/无 机纳米多层复合膜。该膜由于是以阴阳离子 间强烈的静电相互作用作为驱动力，因而保 证了多层复合膜以单分子层结构有序生长， 故称之为MD膜。（layer by layer）
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模板法
利用某一聚合物基材（无机纳米相）作模板， 通过物理吸附或化学反应（如离子交换或络 合转换）等手段将纳米粒子（聚合物）原位 引入模板而制造复合材料的方法。
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二、纳米无机复合材料
无机薄膜复合材料 纳米陶瓷块体复合材料 纳米主客体复合材料
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纳米无机薄膜复合材料
具有纳米颗粒和表面薄膜的双重特点和性 能。
如在绝缘的氧化物薄膜中复合了Ⅱ－Ⅵ或Ⅲ－Ⅴ族的半导 体纳米团簇或稀土氧化物颗粒，可使复合薄膜产生诸如量 子尺寸、光学非线性等物理效应，而这种效应远比相应的 纳米颗粒材料显著。 如掺入金属颗粒，则使薄膜具有从热、电绝缘向热、电导 体的过渡。掺入硫化物、稀土氧化物的氧化锆薄膜材料显 示出可控性的吸收和显著的三阶光学非线性效应。 掺入纳米金颗粒的氧化锆薄膜材料显示出强烈的颗粒表面 等离子吸收特征。
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自组装膜
LB膜： 利用具有疏水端和亲水端的两亲性分子在
气－液界面的定向排列性质，在侧向施加一 定条件，便可形成分子紧密定向排列的单分 子膜。可通过分子设计，合成具有特殊功能 基团的有机膜分子来控制特殊性质晶体的生 长。LB技术需要特殊的设备，并受到衬基的 大小、膜的质量和稳定性的影响。
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MD膜（分子沉积膜） 采用和纳米粒子具有相反电荷的双离子或
原位复合材料的研究开发进展很快，ICE公司的 LCP/PA合金，Hoechst Celanese公司的 LCP/PA12和40％ 玻纤增强的LCP/PPS合金等 均已商品化。
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原位聚合法
原位聚合是使刚性分子链均匀分散的一 种复合新途径。在柔性聚合物（或其单 体）中溶解刚直棒状聚合物,使其均匀 分散在高分子基体中而形成原位分子复 合材料，这种方法称为原位聚合法。
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电性能
若选用V2O5，Fe2O3等作无机成分，还可以 制得超导、光致变色和电致变色等材料。
如聚合物/硅酸盐纳米复合材料也可以用作聚合物电 解质；将聚苯胺和聚吡咯电活性聚合物嵌入到层状 粘土矿物中，可以形成金属绝缘体纳米复合材料。 Chang等将聚苯胺嵌入到粘土中，制成了具有很强 各向异性导电性得金属绝缘体纳米复合材料，这种 纳米复合材料薄膜平面得导电行为是垂直于膜方向 得103～105倍。
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纳米材料维数的定义
1、零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度， 如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 2、一维：指在空间有两维处于纳米尺度， 如纳米丝、纳米棒、纳米管等、 3、二维：指在三维空间中有一维在纳米尺 度，如超薄膜，多层膜，超晶格等。
因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、 一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子 线和量子阱之称。
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一、纳米颗粒型复合 材料
二、纳米无机复合材 料
三、纳米高分子复合 材料
四、展望
主要 介绍 内容
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一、纳米颗粒型复合材料
纳米颗粒复合材料可以认为是纳米颗粒复 合的粉体材料。在油漆、涂料等材料中， 掺入纳米颗粒材料可以对这种传统材料赋 予新的特性。
如掺入具有光催化的纳米二氧化钛颗粒材料，一定条件下 可使其具备灭菌的特殊功能。担载如四氧化三钴的纳米金 颗粒对CO等的氧化反应具有近100％的转化率和良好的选 择性。 又如纳米的氧化铈/氧化锆二元和三元的复合粉体，相比单 组 作分为的汽氧车化尾铈气颗处粒理有（更三好效的催利化）CO中和的N第O二x转载化体的，作已用被，国目外前 广泛应用于环保领域。我国在这方面刚起步。
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纳米陶瓷块体复合材料
最典型的无机纳米复合材料是掺入第二相纳米颗粒 的陶瓷基复合材料。适当的第二相颗粒的掺入可很 大程度地改善原基体材料的常规力学性能，特别是 材料的韧性。
如氧化铝陶瓷材料中掺入纳米碳化硅颗粒，一般可使材料 的耐磨性、韧性和强度等有不同程度的提高。 某些金属和非金属的纳米颗粒掺入到陶瓷材料后，会较大 幅度地提高材料抗热展性能，或大幅度提高材料的抗蠕变 和抗疲劳特性。 纳米结构的准三维的涂层以及掺入高硬度纳米颗粒的涂层 和厚度材料具有比传统材料更好的耐磨或隔热性能。这种0 －3复合纳米材料可作常规或苛刻条件下的热障材料。
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溶液插层法
将高分子链在溶液中借助于溶剂而插层 进入无机物层间，然后挥发除去溶剂。 该方法需要合适溶剂来同时溶解高分子 和分散粘土，而且大量的溶剂不易回收， 对环境不利。
如Ruiz-Hitzky等将聚环氧乙烷与不同交 换性阳离子的蒙脱土混合搅拌，合成了新 的具有二维结构的高分子基纳米复合材料。
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包括：插层聚合法；溶液插层法；熔体插层法
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插层聚合法
先将高分子物单体分散、插入到层状无机物 （硅酸盐等）片层中（一般是将单体和层状 无机物分别溶解到某一溶剂中），然后单体 在外加条件（如氧化剂、光、热等）下发生 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 库仑力而使其剥离，从而使纳米尺度硅酸盐片层与 高分子物基体以化学键的方式结合。如尼龙6/粘土 体系，尼龙6/蒙脱土体系（北化所将蒙脱土间阳离 子交换、单体插入层间以及单体聚合在同一步中完 成的“一步法”）。
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共混法
首先合成出各种形态的无机纳米粒子，然后 再通过各种方法将其与有机聚合物混合。
溶液共混 乳液共混 熔融共混 机械共混
为防止无机纳米粒子的 团聚，共混前要对纳米 粒子进行表面处理。除 采用分散剂、偶联剂和 /或表面功能改性剂等 进行表面处理外，还可 用超声波辅助分散。
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自组装法
1、自组装膜：LB膜，MD膜 2、模板法
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纳米主客体复合材料
是介孔固体与异质纳米粒子组装的复合材料。 通常分有机与无机固体两种。在含有纳米尺 度孔的主体材料孔道内，装入纳米颗粒，即 构成纳米主客体材料。
典型的主客体材料如分子筛材料，氧化硅或非 氧化硅介孔材料（M41S）等。这类材料孔道尺 寸在10纳米以下，而且孔道尺寸单一，排列有 序。
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前驱物溶解在预形成的高分子物溶液中，在酸、碱或 某些盐催化作用下，让前驱物水解，形成半互穿网络。 前驱物和高分子单体溶解在溶剂中，让水解和单体聚 合同时进行，这一方法可使完全不溶的高分子物靠原 位生成而均匀地插入无机网络中。单体未交联，则形 成半互穿网络，交联则形成完全互穿网络。 在以上的高分子物或单体中可以引入能与无机组分形 成化学键的基团，增加有机/无机组分之间的相互作用。 此方法反应条件温和，分散均匀。
熔体插层法
是将高分子物加热到熔融状态下，在静 止或剪切力的作用下直接插入片层间， 制得纳米复合材料。
由于不使用溶剂，工艺简单，并且可以减 少对环境的污染，因而具有很大的应用前 景。
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原位复合法
将热致液晶高分子物与热塑性树脂进行熔融 共混，用挤塑或注塑方法进行加工。由于液 晶分子有易于自发取向的特点，液晶微区沿 外力方向取向形成微纤结构，在熔体冷却时 微纤结构被原位固定下来，故称为原位复合。
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材料特点
纳米颗粒的尺度和排列受孔道性能的限制， 即具有孔道限域效应；纳米颗粒与主体的孔 壁间的相互作用产生很强的主客体效应。
纳米的微孔和介孔材料本身在气体分离、吸附、过 滤等方面具有很大的应用潜力。当孔道内装入纳米 颗粒后，由于以上的两种特殊效应使纳米颗粒原有 的各类特性得到了有效的放大，或产生新的效应。 根据纳米颗粒种类的不同，材料在光电子（如装入 半导体团簇时）、催化（装入具催化效应的纳米颗 粒）、能源（二次电池的电极、燃料电池的催化膜） 等领域具有非常诱人的应用前景。
合 产
可加工性
高分子 材料
生 热稳定性 新
介电性能
性