浅谈纳米复合材料的若干应用

浅谈纳米复合材料的若干应用

摘要:高科技在21世纪飞速发展,对高性能材料的要求越来越迫切,纳米尺寸合成为发展高性能新材料和改善现有材料的性能提供了一个新途径。以实际应用为目标的纳米复合材料的研究越来越受到重视。本文谈谈纳米复合材料的应用。

关键词:纳米复合材料应用研究

纳米材料是指尺度为1nm～100nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体,它具有断裂强度高、韧性好、耐高温等特性。纳米复合材料,是指复合材料中至少有一种结晶相或者颗粒的尺寸为纳米尺度。由于纳米增强相有很大的表面积和强烈的界面相互作用、纳米复合材料具有与宏观复合材料不同的力学、热学等性能和原组分石具备的特殊性能。

1 聚合物基纳米复合材料的应用

聚合物基纳米复合材料兼有纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应、粒子的协同效应,以及聚合物本身柔软、稳定、易加工等基本特点,因而具有其他材料所不具有的特殊性质。

纳米材料增强的聚合物基纳米复合材料有更高的强度、模量,同时还有高韧性,拉伸强度与冲击韧性有一致的变化率。在加入与普通粉体相向质量分数的情况下,强度和韧性一般要高出1～2倍,在加入

相同质量分数的情况下,—般要高出10倍以上。采用纳米粒子增强聚合物基体,复合材料既可以增加强度又可以增加韧性。

纳米尺寸的硝酸盐层片具有很高的耐热性和弹性率,使得纳米复合材料在超过玻璃化温度时也可维持高的弹性率。一般地,高分子中即使分散有不燃的无机物,在燃烧中高分子熔融分解后的挥发性液体在无机物表面扩散,反而增大了燃烧性。但是,当无机物的形态为纳米级时,即使少量的添加,也能使高分子燃烧时维持其状态。燃烧时形状能否保持,对防止燃烧极其重要。细小分散的无机颗粒熔融产生架桥效应,使高分子黏结在一起。这个特性只有在颗粒小到10nm以下时才具有。这些难燃材料可用于家庭、旅馆、火车和汽车等。

与单纯的局聚合物相比,添加层状黏土的纳米复合材料具有高的气密性。这是由于层片的阻碍,气体透过材料时的路径相对延长和透过困难而造成的。用于食品包装时,可以防止氧气的透过。用于汽车的燃料管和燃料箱时,可以防止油料的泄漏。

2 陶瓷基纳米复合材料的应用

陶瓷基纳米复合材料的基体主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅和玻璃陶瓷等。它们与纳米级第二相的界面粘接形式主要有两种:机械粘接和化学粘接。强的界面粘接往往导致脆性破坏。在断裂过程中,强的界面结合不产生额外的能量消耗。当界面结合较弱时,基体中的裂纹扩展至晶须、纤维等处,将导致界面脱粘,其后裂纹发生偏转、裂纹

搭桥、晶须、纤维断裂,以致最后拔出。所有这些过程都要吸收能量,从而提高陶瓷的断裂韧性。

对多种纳米陶瓷或金属颗粒增强的纳米复合材料的研究表明,所有添加的纳米尺寸的第二相颗粒都是体积分数为5％～20％,断裂强度与单相材料相比有大幅度的提高。除了一部分外,断裂韧性大致为单相的1.5～1.7倍。少量的纳米尺寸颗粒可造成裂纹尖端有效的架桥作用,而进一步导致在极短的裂纹扩展范围内破坏阻力的增加。在金属分散的材料中,断裂韧性的改善依赖于金属的塑性变形,使得添加的金属颗粒越多,韧性的提高越明显。构成纳米复合材料的组织特征的相组成的多样化,使得有些材料也具有与力学性能相关联的机能性。

锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料,强度和韧性很低,而通过添加纤维和晶须及细化晶粒等方法来强化,对材料的压电特性有很大损害。通过纳米复合,可使PZT材料具有综合性的电气机能和力学性能。纳米复合化使结构陶瓷材料具有压电特性,分散颗粒若具有强介电、压电性,与结构陶瓷复合得到的纳米复合材料也可具有压电性,这种结构与功能的复合将具有广泛的应用。

在结构陶瓷材料中添加纳米级磁性金属颗粒而得到的纳米复合材料,提高了力学性能,并具有良好的磁性能。金属和合金磁性材料具有电阻率低、损耗大的特性,尤其在高频下更是如此。磁性陶瓷材料基纳米复合材料有电阻率高、损耗低、磁性范围广泛等特性,在材料制备时,通过对成分的严格控制,可以制造出软磁材料和硬磁材料等。

在无机玻璃、陶瓷薄膜等宽的波长范围内,透明的基体内分散有纳米金属、半导体、磁性体、荧光体等的结晶时,纳米级的结晶可抑制入射光的散乱,使材料保持透明。再加上量子尺寸效应及结晶表明的特异的电子状态和格子振动等纳米结晶的特征,使陶瓷基纳米复合材料具有特殊光特性。

3 金属基纳米复合材料的应用

金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体,与一种或几种金属或非金属纳米级增强相人工结合的复合材料。金属基纳米复合材料具有机械性能好、剪切强度高、工作温度较高、耐磨损、导电导热性好、不吸湿不吸气、尺寸稳定、不老化等优点。金属基纳米复合材料目前主要有:铝基、钦基、镁基和高温合金基。

主成分为Al-Ni-Mn系铝合金经过挤出成型,形成金属基纳米复合材料。挤出材的性能与挤出条件关系很大,这种纳米结晶的铝合金的比强度相比钢性超过商用的铝合金、不锈钢甚至钛合金。利用这些特性可以制作高速运功的机械部件、机器人部件、体育用品及模具,其使用量和生产量也在逐年增加。

由纳米复合而导致的磁性能的改善,有软磁性材料的金属-非金属纳米颗粒软磁材料,硬磁性材料的纳米复合材料磁石。软磁材料要求有高饱和磁力、高磁导率和透磁率、低保磁力和无磁致伸缩,一般软

磁材料为硅钢片、铁镍合金、铁硅铝合金等金属材料及铁氧体等氧化物材料。由非晶化、纳米结晶化、金属-非金属颗粒化可以提高其性能。金属-非金属颗粒化软磁纳米复合材料,是出Fe、Co等强磁性金属相与SiO2、Al2O3等绝缘相在纳米尺寸微细混合而构成的磁性材料,同时具有由强磁性金属相导致的软磁性和由绝缘相的绝缘效果导致的高电阻特性。

烧结Nd磁石在MRI诊断装置、电动机、通信、音响等被广泛使用。为了制作强磁铁,需要更高的自磁化和保磁力。由硬磁相和软磁相构成的纳米复合材料新型永磁体,是基于利用硬磁相的高结晶磁各向界性和软磁相的高饱和磁化构成的显微组织,通过两相相互作用而得到高的此特性。

纳米复合材料具有不同于宏观复合材料的许多优异性能,纳米复合技术为新材料的研究和制造提供了新方向和新途径。纳米复合材料与基体材料相比,性能有很大的提高,一般来说,纳米复合材料的强度和韧性比单组分纳米材料的强度和韧性高出2～5倍,因此具有更加广泛的应用前景。

参考文献

[1] 肖泳.聚合物/粘土纳米复合材料最新进展[J].工程塑料应用,1998(8).