10第十章--高分子纳米复合材料
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①纳米体系，略大于分子尺寸的上限，恰好能体现 分子间强相互作用。这种分子间强相互作用引起的许 多性质，与常规物质相异，正是这种特异性质构成了 纳米科学。
2020/6/5
②、纳米体系尺寸上限以上为宏观领域，尺寸下限以下为微
观领域。其中，宏观领域以宏观物体作为研究对象，理论基础是
经典力学和电磁学；微观领域则以分子、原子作为研究对象，理
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。
2020/6/5
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
是在采用高真空下加热（如电阻法、高频感应法等）金属等 块体材料，使其材料的原子气化或形成等离子体，然后快速冷 却，最终在冷凝管上获得纳米粒子。
2020/6/5
2、纳米技术 纳米技术是借助现代科学技术手段的全新的实用科学，包括
纳米加工技术、纳米分析表征技术、纳米操控技术等新型的科技 方法和手段。目前在纳米技术领域最显著的现代技术主要有以下 几种。 ①、扫描隧道显微镜技术
扫描隧道显微镜（scanning tunnel microscope STM），是 目前为止进行表面分析的最精密仪器之一。 直接观察到原子和分子，而且直接操纵和安排原子和分子。
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，称为纳米结构体系。
2020/6/5
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：
A、纳米尺度范围的物质 一维纳米结构的膜型纳米材料，二维纳米结构的丝状
纳米材料，三维纳米结构的纳米粉或者纳米颗粒材料。 B、纳米复合材料
无机-无机复合、无机-有机物复合、金属-陶瓷复合 、聚合物-聚合物复合等多种复合形式的纳米复合材料 。
2020/6/5
从宏观角度分类，纳米材料大致有以下四类： A、纳米粉末
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。
2020/6/5
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。
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二、纳米效应
纳米尺寸的物质，其电子的波性以及原子间的相互作用将受 到尺寸大小的影响。诸如，熔点等热学性能、磁学性能、电学性 能、光学性能、力学性能和化学活性会出现与传统材料截然不同 的性质。一般认为导致纳米材料独特性能，主要基于以下四种基 本纳米效应。 1、表面效应
表面能随着粒径减小而增加的现象称为表面效应。 当颗粒状材料的直径降低到纳米尺度时，比表面积会非常 大，这样处在表面的原子或离子所占的百分数将会显著地增加。 然而由于缺少相邻的粒子，则出现表面的空位效应，表现出表面 粒子配位不足，表面能会大幅度增加。这种在纳米尺度范围内发 生的表面效应称为纳米表面效应。
论基础是量子力学和相对论。
③、显然，纳米体系领域需要用全新的理论为理论基础。即
形成纳米科学。
纳米晶体材料
纳米非晶体材料
纳米材料 纳米相颗粒材料
纳米复合材料
纳米科学
纳米结构材料
（内容上）
纳米技术：在纳米尺寸范围内对物质的加工、分
2020/6/5
析、表征、利用等相关技术。
其中，聚合物纳米复合材料及其技术（聚合物纳米科学）， 是当今发展最为迅速、最为贴近实用化的领域。
2020/6/5
2、小尺寸效应 当颗粒小至纳米尺寸时，所引起的宏观物理性质的变化称为
纳米小尺寸效应。纳米小尺寸效应主要反映在熔点、磁学、电 学和光学性能等方面均与大尺寸同类材料明显不同。 3、量子尺寸效应
当颗粒状材料的尺寸小至纳米尺寸时，其电子能级由连续转 变为量子化（最高占据分子轨道和最低空轨道，使能隙变宽，出 现能级的量子化）。这时，纳米材料电子能级之间的间距，随着 颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能、静电能 以及磁能等的能量时，就会出现一系列与块体材料截然不同的反 常特性，这种效应称之为纳米量子尺寸效应。
第十章 高分子纳米复合材料
2019年11月
2020/6/5
纳米科学是，20世纪末兴起的最重要 的科技研究新领域，当今世界各国都将纳米 科学技术列入重点研究开发的课题。
人类对物质的认 识
基础理论
宏观
经典力学
介观领域
纳米ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ学
基础理论
微观
量子力学和相对论
2020/6/5
纳米科学： 1、纳米及纳米体系
①、纳米是一个长度单位，1nm = 10-3μm = 10-9m 。 ②、通常界定1～100 nm的体系为纳米体系。 2、纳米科学
又称为超微粉或超细粉，是介于原子、分子与宏观物质之间处 于中间物态的固体颗粒材料，在块状材料和复合材料制备方面应用 较多。 B、纳米纤维
指填加纳米粉的纤维材料。 C、纳米膜
分为单层膜和多层膜的纳米膜材料，在光电子学领域和膜分离 领域应用广泛。 D、纳米块体
由纳米粉末通过高压或烧结成型，或者用高分子材料复合构成 的块状材料。
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②、原子力显微技术 原子力显微镜（atomic force microscope，
AFM）也是高分辨的显微仪器，具有与STM相近的 分辨率。AFM不仅可以观察到非导电样品表面形 态，而且还可以对数十个原子、甚至数个分子 进行操控，包括化学反应，从而对其表面进行 微加工，大大拓展了其应用范围，展示了 AFM 在未来大规模集成电路纳米级蚀刻技术方面的 应用潜力。
真空冷凝方法特别适合制备金属纳米粉，通过调节蒸发温度 场和气体压力等参数，可以控制形成纳米微粒的尺寸。
真空冷凝法的优点是纯度高、结晶组织好以及粒度可控且分 布均匀，适用于任何可蒸发的元素和化合物；缺点是对技术和设 备的要求较高。
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②、纳米体系尺寸上限以上为宏观领域，尺寸下限以下为微
观领域。其中，宏观领域以宏观物体作为研究对象，理论基础是
经典力学和电磁学；微观领域则以分子、原子作为研究对象，理
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。
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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
是在采用高真空下加热（如电阻法、高频感应法等）金属等 块体材料，使其材料的原子气化或形成等离子体，然后快速冷 却，最终在冷凝管上获得纳米粒子。
2020/6/5
2、纳米技术 纳米技术是借助现代科学技术手段的全新的实用科学，包括
纳米加工技术、纳米分析表征技术、纳米操控技术等新型的科技 方法和手段。目前在纳米技术领域最显著的现代技术主要有以下 几种。 ①、扫描隧道显微镜技术
扫描隧道显微镜（scanning tunnel microscope STM），是 目前为止进行表面分析的最精密仪器之一。 直接观察到原子和分子，而且直接操纵和安排原子和分子。
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，称为纳米结构体系。
2020/6/5
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：
A、纳米尺度范围的物质 一维纳米结构的膜型纳米材料，二维纳米结构的丝状
纳米材料，三维纳米结构的纳米粉或者纳米颗粒材料。 B、纳米复合材料
无机-无机复合、无机-有机物复合、金属-陶瓷复合 、聚合物-聚合物复合等多种复合形式的纳米复合材料 。
2020/6/5
从宏观角度分类，纳米材料大致有以下四类： A、纳米粉末
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。
2020/6/5
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。
2020/6/5
二、纳米效应
纳米尺寸的物质，其电子的波性以及原子间的相互作用将受 到尺寸大小的影响。诸如，熔点等热学性能、磁学性能、电学性 能、光学性能、力学性能和化学活性会出现与传统材料截然不同 的性质。一般认为导致纳米材料独特性能，主要基于以下四种基 本纳米效应。 1、表面效应
表面能随着粒径减小而增加的现象称为表面效应。 当颗粒状材料的直径降低到纳米尺度时，比表面积会非常 大，这样处在表面的原子或离子所占的百分数将会显著地增加。 然而由于缺少相邻的粒子，则出现表面的空位效应，表现出表面 粒子配位不足，表面能会大幅度增加。这种在纳米尺度范围内发 生的表面效应称为纳米表面效应。
论基础是量子力学和相对论。
③、显然，纳米体系领域需要用全新的理论为理论基础。即
形成纳米科学。
纳米晶体材料
纳米非晶体材料
纳米材料 纳米相颗粒材料
纳米复合材料
纳米科学
纳米结构材料
（内容上）
纳米技术：在纳米尺寸范围内对物质的加工、分
2020/6/5
析、表征、利用等相关技术。
其中，聚合物纳米复合材料及其技术（聚合物纳米科学）， 是当今发展最为迅速、最为贴近实用化的领域。
2020/6/5
2、小尺寸效应 当颗粒小至纳米尺寸时，所引起的宏观物理性质的变化称为
纳米小尺寸效应。纳米小尺寸效应主要反映在熔点、磁学、电 学和光学性能等方面均与大尺寸同类材料明显不同。 3、量子尺寸效应
当颗粒状材料的尺寸小至纳米尺寸时，其电子能级由连续转 变为量子化（最高占据分子轨道和最低空轨道，使能隙变宽，出 现能级的量子化）。这时，纳米材料电子能级之间的间距，随着 颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能、静电能 以及磁能等的能量时，就会出现一系列与块体材料截然不同的反 常特性，这种效应称之为纳米量子尺寸效应。
第十章 高分子纳米复合材料
2019年11月
2020/6/5
纳米科学是，20世纪末兴起的最重要 的科技研究新领域，当今世界各国都将纳米 科学技术列入重点研究开发的课题。
人类对物质的认 识
基础理论
宏观
经典力学
介观领域
纳米ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ学
基础理论
微观
量子力学和相对论
2020/6/5
纳米科学： 1、纳米及纳米体系
①、纳米是一个长度单位，1nm = 10-3μm = 10-9m 。 ②、通常界定1～100 nm的体系为纳米体系。 2、纳米科学
又称为超微粉或超细粉，是介于原子、分子与宏观物质之间处 于中间物态的固体颗粒材料，在块状材料和复合材料制备方面应用 较多。 B、纳米纤维
指填加纳米粉的纤维材料。 C、纳米膜
分为单层膜和多层膜的纳米膜材料，在光电子学领域和膜分离 领域应用广泛。 D、纳米块体
由纳米粉末通过高压或烧结成型，或者用高分子材料复合构成 的块状材料。
2020/6/5
②、原子力显微技术 原子力显微镜（atomic force microscope，
AFM）也是高分辨的显微仪器，具有与STM相近的 分辨率。AFM不仅可以观察到非导电样品表面形 态，而且还可以对数十个原子、甚至数个分子 进行操控，包括化学反应，从而对其表面进行 微加工，大大拓展了其应用范围，展示了 AFM 在未来大规模集成电路纳米级蚀刻技术方面的 应用潜力。
真空冷凝方法特别适合制备金属纳米粉，通过调节蒸发温度 场和气体压力等参数，可以控制形成纳米微粒的尺寸。
真空冷凝法的优点是纯度高、结晶组织好以及粒度可控且分 布均匀，适用于任何可蒸发的元素和化合物；缺点是对技术和设 备的要求较高。