纳米复合材料课件

快淬法制备非晶NdFeB条带
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纳米晶双相复合NdFeB/α-Fe粉末的微观形貌
• 利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在20-30nm的纳 米晶双相复合NdFeB/α-Fe永磁粉末，其最大磁能积 可以达到126-132kJ/m3，将其与高分子树脂制成粘结 磁体的可广泛应用于计算机、打印机、空调、汽车 所用的微特电机及传感器等领域
• 0-3复合：把纳米粒子分 散到常规三维固体材料中 ，也即纳米-微米复合材 料。
• 通过纳米粒子加入和均匀 分散在微米粒子基体中， 阻止基体粒子的晶粒长大 ，以获得具有微晶结构的 致密材料，使材料强度、 硬度、韧性等力学性能得 到显著提高。
纳米-微米复合材料结构示ห้องสมุดไป่ตู้图
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• 1-3复合：主要是纳米碳管、纳米晶须与常规金属 粉体、陶瓷粉体和聚合物粉体的复合，对金属、陶 瓷和聚合物有特别明显的增强作用。
复合材料
Composite Materials
材料科学与工程学院 刘颖教授主讲
纳米复合材料
Nano-Composite Materials
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主要内容
纳米复合材料的定义 纳米复合材料的分类 纳米复合材料的制备 纳米复合材料的应用
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• 高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切 ，纳米技术为发展高性能新材料和对现有材料的性 能进行改善提供了一个新的途径。
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放电等离子烧结
颗粒间的放电
纳米SiCx纤维的联结 22
感应烧结
a-Fe
a-Fe a-Fe a-Fe
纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料，HRA达到91
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• 0-2复合：把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到 的纳米复合薄膜材料。
• 可分为均匀弥散型和非均匀弥散型：均匀弥散型是 指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型 是指纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中。
纳米薄膜
纳米薄膜太阳能电池
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• 纳米复合材料与传统复合材料在结构和性能上有明 显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物 理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。
纳米材料的典型 代表-纳米碳管
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纳米复合材料的定义
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• 纳米材料是指三维空间中至少有 一维处于纳米尺度范围内，或以 它们作为基本构成单元的材料。
• 零维在空间三继尺度均在纳米尺 度，如纳米颗粒、原子团簇等；
• 2-3复合：无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物 前驱物的复合，主要是插层纳米复合材料的合成。
纳米碳管增强复合材料示意图
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• 近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同 样可以作为纳米复合材料的母体，通过物理或化学 方法将纳米粒子填充在介孔中(孔洞尺寸为纳米或亚 微米级)，这种介孔复合体也是纳米复合材料。
• Hwang等通过机械球磨Mg, Ti和C粉合成Mg-Ti-C纳米 复合材料，Mg晶粒尺寸在25~60nm之间, TiC颗粒尺 寸在30~70nm之间。Mg-Ti-C纳米复合材料具有高的 屈服强度和与Mg-Ti合金相似的高延展性。
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非晶晶化法
• 在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组 态将基本上保持不变，被“冻结” 形成长程无序的非 晶结构，再通过晶化热处理对原子进行“解冻”。控 制热处理温度和时间，使原子具有足够的能量和时间 进行扩散，得到纳米晶复合材料。
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纳米复合材料的制备
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无机纳米复合材料制备 高能球磨法
• 将两种或两种以上无机粉末放入球磨机中，利用球 磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击 、研磨和搅拌，粉末颗粒经压延，压合，碾碎，再 压合的反复过程，获得纳米复合粉末，烧结后得到 纳米复合材料。
行星式高能球磨机
不锈钢磨球
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• 高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金， 如 Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-W等材料，还可用于制备TiAl 、NiAl等金属间化合物和超硬合金等。
• 一维在三继空间有两维处于纳米 尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米 管等；
• 二维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。
0维纳米Au颗粒
1维纳米Au线
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• 纳米复合材料(Nano-composites)是由两种或两种 以上的固相至少在一维以纳米级大小(1~100nm)复 合而成的复合材料。
• 固相可以是非晶、晶态或兼而有之，而且可以是无 机、有机或二者都有。
Co-WC纳米复合硬质 合金微观形貌
Co-WC纳米复合硬质 合金材料
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纳米复合材料的分类
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• 按基体形状可把纳米复合材料大致分为0-0复合、02复合、0-3复合、1-3复合和2-3复合等主要形式。
• 0-0复合：不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与 金属、陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷 、陶瓷与高分子等构成。
• 高能球磨法还能制备纳米晶复合材料。晶粒细化是由 于粉末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达 到临界值时，粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最 终形成纳米晶复合材料。
高能球磨制备的 Ti(C,N)粉末形貌， XRD分析显示f粉
末晶粒尺寸在 100nm以下
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• 西安交通大学通过对Al-Ti系粉末进行高能球磨和压 制烧结，发现Al-Ti合金系高能球磨后，各组元晶粒 得到细化，并且Ti在Al中发生了强制超饱和固溶， 烧结时形成纳米晶Al3Ti/Al复合材料。
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非常规快速烧结
• 用纳米粉体制备纳米复合材料，最终显微结构中晶 粒仍要保持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉 末的巨大活性，在烧结过程中晶界扩散非常快，极 易发生晶粒快速生长。采用非常规烧结工艺，如微 波烧结、放电等离子烧结、感应烧结和自蔓延燃烧 合成等，可在烧结过程中降低烧结温度，缩短烧结 时间，加快冷却速度等，有效抑制晶粒的长大。其 中采用是比较有效的技术。
低密度多孔镍形貌
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• 按基体类型分为金属基、陶瓷基和聚合物基纳米
复合材料。
金属基纳米
金属/金属纳米复合材料
复合材料
金属/陶瓷纳米复合材料
纳米复合材料
陶瓷基纳米 复合材料
聚合物基纳 米复合材料
陶瓷/陶瓷纳米复合材料 陶瓷/金属纳米复合材料 聚合物/聚合物纳米复合材料 聚合物/金属纳米复合材料 聚合物/陶瓷纳米复合材料