纳米复合材料的相关概念

纳米复合材料的部分基本概念

摘要：纳米材料被誉为21世纪的新材料，其概念在上世纪中叶被科学界提出后得到广泛重视和深入发展。本论文主要阐述了纳米复合材料概念的各种表达方法，例证了几种纳米复合材料，并对其纳米效应做出了具体说明。

关键词：纳米纳米复合材料纳米效应

一、纳米复合材料的定义及例证

20世纪80年代，Roy和Komarneni提出纳米复合材料(nanoeomposites)的定义，与单一组分的纳米结晶材料和纳米相材料不同，它是指材料两相(或多相)微观结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级尺寸(1~100nm)的材料[1]。

也有学者做如下定义，当颗粒或尺寸至少在一维尺寸上小于100nm，且必须具有截然不同于块状材料的电学、光学、热学、化学或力学性能的一类复合材料体系[2-4]。

目前已经成功制备的纳米复合材料已有很多，以下是其中几个例子以及其特备方法和特点。

（1）聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料

聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料是采用溶液插层、原位聚合、熔融插层法进行制备的。

这种材料的由于高分子能进入层状无机纳米材料的片层之间,其分子链段的运动受到了限制而显著提高复合材料的耐热性及材料的尺寸稳定性，而且层状无机纳米材料可以在二维方向得到良好的增强作用。因此聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料相对纯聚丙烯来说其强度和韧性都得到了很大的提高，综合性能优异。

（2）ZnO/Ag纳米复合材料

ZnO/Ag纳米复合材料的制备方法有共沉淀法，溶胶-凝胶法，化学沉积法，均匀沉淀法，喷射热分解法，固相法。

纳米ZnO与普通ZnO微粒相比，具有许多特殊性质：非迁移性、压电性、荧光性、具有光吸收和散射紫外光的能力等。ZnO具有光触媒功能，Ag的加入减少了空穴-电子对的复合，大大提高了其催化性能[5]，无二次污染，而且光降解成本低，反应条件温和。

（3）聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料

聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料是采用插层复合法制备的，这种材料具有优异的力学、热学、电学和电化学性能。

二、各种纳米效应的形式

学者通过研究发现，纳米材料具有纳米效应，如量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应等，具体如下：

（1）量子尺寸效应

对于纳米微粒来讲，所包含原子数有限，会导致能级间距分裂，当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动。

（2）小尺寸效应[5]

超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。例如，Znm的金颗粒熔点为600K，随粒径的增加，熔点迅速上升，块状金为1337K;利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。

（3）表面效应[6－8]

纳米尺寸微粒小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g，粒径为5nm时，比表面积为180m2/g，粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时，表面能迅速增加，表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。

（4）宏观量子隧道效应[9]

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。例如微颗粒的磁化强度，量子

相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。

纳米复合材料有较高的长期稳定性，能够充分发挥纳米单元的特异性能，而且通过对纳米单元的表面改性，调控纳米单元的协同效应和界面效应，因此纳米复合材料的应用具有诱人的前景，故当前对此体系的研究十分活跃，一方面是对纳米体系基本理论进行研究，探索新现象、新效应，总结新规律；另一方面则是作为纳米材料工程的重要组成部分，通过纳米合成，纳米添加发展新型的纳米材料，并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围。

参考文献

[1] Roy R,KomarneniS，Roy DM.Mater Res Soc Symp Proc l984，32:347

[2]A.oimirkou,A.Ioannou,M.Doula.preParation,characterization and

sorption properties for phosphates of hematite，bentonite and

bentonite-hematite systems.Advanees in Colloid and Interfaee Seienee，

2002,97:37-61

[3] 王家俊，益小苏.高聚物/无机物插层型纳米复合材料.材料导报，1999,13(3):54-56

[4] 高瑞平.纳米材料和技术的研究及展望，材料导报，2001,15(5):6

[5] HalPerinWP，Rev.ofModernPhys.，1986，58:532

[6] Staduiketal.Phys.Rev.1987，B35:6588

[7] 都有为，徐明祥，吴坚，史莹冰，陆怀先，薛荣华.全国第二届纳米固体学术讨论会论文集，1991.

[8] 王涛，张立德.纳米氮化硅红外吸收谱的“蓝移”和“宽化”现象，中国科学院研究生学报.1993

[9] C.Mo(牟季美)，z.Y uan，Lidezhang，C.Xie.Nanostruetured Materials，1993，2:113