纳米复合材料课件
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高分子纳米复合材料课件.ppt
最重要的是界面组元。界面组元具有以下两个特点：首先是原
子密度相对较低，其次是邻近原子配位数有变化。因为界面在
纳米结构材料中所占的比例较高，以至于对材料性能产生较大
影响。
高分子纳米复合材料课件
五、纳米复合材料（nanocomposites）
1、纳米复合材料的分类
复合材料的复合方式可以分为四大类：
①、0-0型复合
利用宏观量子隧道效应，可以解释纳米镍粒子在低温下继续 保持超顺磁性的现象。这种纳米颗粒的宏观量子隧道效应和量子 尺寸效应，将会是未来微电子器件发展的基础，它们确定了微电 子器件进一步微型化的极限。
高分子纳米复合材料课件
三、纳米材料的制备方法
可分为物理法和化学法两大类。 1、物理方法 ①、真空冷凝法
例如，纳米颗粒具有高的光学非线性及特异的催化性能均属 此列。
高分子纳米复合材料课件
4、宏观量子隧道效应 微观粒子（电子、原子）具有穿越势垒的能力称之为隧道效
应。一些宏观的物理量，如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件 中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统 的势垒而产生性能变化，称为宏观量子隧道效应。
第一节 高分子纳米复合材料概述
一、纳米材料与纳米技术
1、纳米材料 是以纳米结构为基础的材料，或者以纳米结构为基本单元构
成的复合材料。 ①、纳米结构
以具有纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造 的一种新结构体系，称为纳高分米子纳结米构复合体材料系课件。
②、纳米材料 纳米材料是在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范 围的物质，或者由它们作为基本单元构成的复合材料。 从微观角度分类，纳米材料大致有以下两类：
衡合金固态分解、溶胶-凝胶法、气相沉积法、快速凝固法、晶晶 化法、深度塑性变形法等。
聚合物纳米复合材料-课件1
进化的复合材料-贝壳
17
复合材料的基本结构模式
复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合材料的连续相； 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分 布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使 材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
- Melt Processing –(常规做法)
hp
New method(加入层状无机材料的悬浮液)
a novel compounding process using Na–montmorillonite water slurry for preparing novel nylon 6/Na–montmorillonite nanocomposites
用此技术已制备了丁苯橡胶/ 粘土、丁腈橡 胶/ 粘土、氯丁橡胶/ 粘土等纳米复合材料。
③聚合物插层法的有机溶液插层法
该法可分两步骤： 溶剂分子插层
通过有机溶剂降低蒙脱土片层间的表面极性，从而 增加与聚合物的相容性。 聚合物对插层溶剂分子的置换
有机改性的蒙脱土与聚合物溶液共混，聚合物大分 子在溶液中借助于溶剂而插层进入蒙脱土的片层间， 然后再挥发掉溶剂。
R（脂肪烃基）：
粘土改性剂
①C12H25 →十二烷基三甲基氯化铵 ②C16H33 →十六烷基三甲基氯化铵 ③C18H37 →十八烷基三甲基氯化铵 此外，十二烷基二甲基苄基氯化铵、
十八烷基二甲基苄基氯化铵等。
其它的阳离子 还能与该离子 进行交换吗？
有机铵盐改性后的粘土在酸性介质中水解， 水中的质子很难将铵盐基团置换下来，这说明 由离子键所形成的复合物是比较稳定的。
《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 ppt课件
• 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。
纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料，HRA达到91
2020/11/29
9
• 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。
• 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；
• 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。
2020/11/29
0维纳米Au颗粒
1维纳米Au线
6
• 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。
15
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。
2020/11/29 行星式高能球磨机
不锈钢磨球
16
• 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。
复合材料
Composite Materials
纳米复合材料
Nano-Composite Materials
2020/11/29
2
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
纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料，HRA达到91
2020/11/29
9
• 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。
• 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；
• 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。
2020/11/29
0维纳米Au颗粒
1维纳米Au线
6
• 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。
15
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。
2020/11/29 行星式高能球磨机
不锈钢磨球
16
• 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。
复合材料
Composite Materials
纳米复合材料
Nano-Composite Materials
2020/11/29
2
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
尼龙6纳米复合材料PPT课件
14
贮存模量
损失模量
力学损耗（内 耗）tanδ
尼龙纳米复合材料及尼龙的贮存G’ 、损失模 量G”、 tan δ和温度关系
15
展望
(1)由于粘土在聚台物中完全扩散时是在二维而 不是在一维方向上改善材料的性能，所以纳米 复合材料与纯物质相比在力学性能上有极大的 改善。 (2)改善了材料的热稳定性，如阻燃性（片层理 论） (3)提高阻隔性等，与普通填料相比，粘土在极 低的含量就能改善材料的性能，而且相对密度 较低，能够有效地降低制品的质量，方便运输， 同时纳米复合材料的高性能和低价格
Please Criticize And Guide The Shortcomings
讲师：XXXXXX
XX年XX月XX日
20
4. 周宛棣,于德梅等. 尼龙6/粘土聚合物纳米复合材料的性能表征(I)结晶 行为研究[J].高分子材料科学与工程,2004,20(30):133-143
5. Yoshihiro Katoh,Masami Okamoto.Crystallization controlled by layered silicates in nylon 6–clay nano-composite[J]. Polymer,2009,50（2009）:4718-4726
16
谢谢！
17
参考文献：
1. 王玉花,程超.尼龙6/粘土纳米复合材料的性能研究进展[J].广东化 工,2007,34（173）:36-38
2. 刘文霞,张宝述等.熔融插层法制备聚合物/粘土纳米复合材料的研究进 展[J].化工新型材料,2008,36(9):6-15
3. 周宛棣,于德梅等. 尼龙6/粘土聚合物纳米复合材料的性能表征(Ⅱ)结 晶行为研究[J].高分子材料科学与工程，2004，20(3):36-39
贮存模量
损失模量
力学损耗（内 耗）tanδ
尼龙纳米复合材料及尼龙的贮存G’ 、损失模 量G”、 tan δ和温度关系
15
展望
(1)由于粘土在聚台物中完全扩散时是在二维而 不是在一维方向上改善材料的性能，所以纳米 复合材料与纯物质相比在力学性能上有极大的 改善。 (2)改善了材料的热稳定性，如阻燃性（片层理 论） (3)提高阻隔性等，与普通填料相比，粘土在极 低的含量就能改善材料的性能，而且相对密度 较低，能够有效地降低制品的质量，方便运输， 同时纳米复合材料的高性能和低价格
Please Criticize And Guide The Shortcomings
讲师：XXXXXX
XX年XX月XX日
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4. 周宛棣,于德梅等. 尼龙6/粘土聚合物纳米复合材料的性能表征(I)结晶 行为研究[J].高分子材料科学与工程,2004,20(30):133-143
5. Yoshihiro Katoh,Masami Okamoto.Crystallization controlled by layered silicates in nylon 6–clay nano-composite[J]. Polymer,2009,50（2009）:4718-4726
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谢谢！
17
参考文献：
1. 王玉花,程超.尼龙6/粘土纳米复合材料的性能研究进展[J].广东化 工,2007,34（173）:36-38
2. 刘文霞,张宝述等.熔融插层法制备聚合物/粘土纳米复合材料的研究进 展[J].化工新型材料,2008,36(9):6-15
3. 周宛棣,于德梅等. 尼龙6/粘土聚合物纳米复合材料的性能表征(Ⅱ)结 晶行为研究[J].高分子材料科学与工程，2004，20(3):36-39
纳米复合材料. 共48页
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。
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。
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。
功能高分子材料课件 第十章高分子纳米复合材料.ppt
能使其在这一领域的发展过程中顺应了高分子复
合材料对高性能填料的需求,对高分子材料科学突
破传统理念发挥重要的作用。纳米材料科学与高
分子材料科学的交融互助就产生了高分子纳米复
合材料。 2019/12/18
材料
21
10.4.1 高分子纳米复合材料的性能
复合材料是将两种或两种以上的 材料复合在一起,进行优势互补,以谋求 最佳的综合性能。而纳米复合材料是 指分散相尺度至少有一维小于100nm 的复合材料,由于纳米分散相大的比表 面和强的界面作用,纳米复合材料表现 出不同于一般宏观复合材料的综合性 能。
件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以 提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿 命。
材料
18
国家安全
通过先进的纳米电子器件在信息控制方面 的应用，将使军队在预警、导弹拦截等领域 快速反应；通过纳米机械学，微小机器人的 应用，将提高部队的灵活性和增加战斗的有 效性；用纳米和微米机械设备控制，国家核 防卫系统的性能将大幅度提高；通过纳米材 料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸 波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇 和战斗机等。
2019/12/18
材料
23
(1) 阻隔性能
在尼龙6和还氧树脂中纳米分散少量 层状蒙脱土,并暴露在氧等离子体中,可形 成均匀钝态和自恢复无机表面。这是由 于纳米复合物中表面高分子的氧化使层 状硅酸盐的含量相对增多,从而形成一层 无机表面层。此无机区域是湍层的,层状 硅酸盐之间的平均距离为1nm~4nm。这 类陶瓷硅酸盐提供了一种纳米复合物的 涂层,可以阻止氧气离子的渗入,从而提高 了高分子材料在氧环境中的生存寿命。
2019/12/18
材料
22
纳米颗粒由于其尺寸小,比表面积非常大
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低密度多孔镍形貌
13
• 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
• 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
7
纳米复合材料的分类
8
• 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。
• 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意图
11
• 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。
纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料，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
10
• 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
17
• 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。
• 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
4
纳米复合材料的定义
5
• 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
12
• 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。
20
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。
• 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。
18
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。
21
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
• 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
6
• 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。
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
2
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
3
• 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。
快淬法制备非晶NdFeB条带
19
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
14
纳米复合材料的制备
15
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
16
• 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。
13
• 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
• 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
8
• 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。
• 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意图
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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。
纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料，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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• 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。
• 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。
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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。
• 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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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
• 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。
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。
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
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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。