纳米复合材料复习资料

第一章

1、定义

宏观领域：指人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体。

微观领域：指以原子、分子为最大起点，下限是无限。

介观领域：介于宏观领域与微观领域之间的领域。

纳米(n anometer)是一个长度单位，简写为nm。

纳米技术：是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。

纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。

纳米复合材料：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。

2、纳米复合材料命名

是根据复合材料的命名原则来命名纳米复合材料，用“复合材料”作后缀，用纳米材料和基体材料的名称来命名，将增强纳米材料的名称写在基体材料的名称前面。如纳米氧化锌在纳米量级上复合环氧树脂形成一种新的复合材料，就称为“纳米氧化锌环氧树脂复合材料”。另一种以“纳米复合材料”作为后缀，用纳米材料的无机名称与有机基体的聚合物名称来命名，将无机物与有机物用“/”隔开后缀纳米复合材料。如氧化锌以纳米微粒分散在连续相聚氯乙烯基体中，形成纳米无机物与有机物于一体的新型复合材料，就称为“氧化锌/聚氯乙烯纳米复合材料”。3、纳米复合材料性能

基本性能1）可综合发挥各种组分的协同效能。2）性能可设计性，可针对纳米复合材料的性能需求进行材料的设计和制造。3）可按需要加工材料的形状。特殊性能①同步增韧增强效应。②新品功能高分子材料。③强度大、模量高。④阻隔性能。

第二章

定义：

量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。

表面效应：表面效应是指纳米微粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。

宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。

超顺磁性：在小尺寸下，当磁晶的各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。

巨磁电阻效应：在[Fe/Cr]周期性多层膜中，观察到当施加外磁场时，其电阻下降，变化率高达50％。

蓝移：纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。

纳米微粒：纳米微粒是指颗粒尺寸一般在1—100 nm之间的粒状物质，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。

量子效应与小尺寸效应的区别：量子尺寸效应是因能级间距不连续、离散引起的，与温度有关，要求是低温。性能的变化对温度有一突变。小尺寸效应不要求低温，性能随温度的变化没有突变。两者都能引起材料性能的极大变化。纳米效应引起的物质性能的变化：

1．热学性能：熔点下降，比热容提高。 2. 光学性能：宽频带强吸收，蓝移现象（“蓝移”的原因：量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降，能隙变宽，导致光吸收带移向短波方向。），纳米微粒的发光，纳米微粒分散体系的光学性

质（丁达尔效应）3. 磁学性能：超顺磁性，巨磁电阻效应4. 力学性能：硬度，韧性，断裂应力 5. 电学性能：电导（电阻），介电特性，压电效应6. 化学性能：吸附性，纳米微粒的分散和团聚，表面高活性——催化性能

典型的纳米结构单元：

1.富勒烯结构：球笼状

应用：①新型半导体材料②良好的非线性光学材料③合成金刚石的理想原料④富勒烯虽然是非常稳定的分子，但化学性质很活泼的⑤增强金属⑥新型催化剂⑦C60分子间在一定条件下还可以相互结合成聚合物⑧在生理医学方面

2. 碳纳米管：即管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米管。结构：多壁碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成，可以有直形、弯形、螺旋等不同外形。每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，两端由碳原子的五边形参与封顶。

性质：1. 电学性质：具有一些特殊的电学性质 2. 热学性质：碳纳米管是目前世界上最好的导热材料，导热系数高。高压可以促使碳纳米管管结构的破裂，减小了它的热稳定性。

3. 力学性质：高模量、高强度。

4. 光学性质：碳纳米管具有卓越的发光性质

5其他性质：高耐磨性，自润滑性

3. 石墨烯又称单层石墨，是只有一个碳原子厚度的二维材料。

结构：完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角六边形) 如果有五角元胞和七角元胞存在，那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲；12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;

性能：力学性质——比钻石还要硬电学性质——优良的导电性

第三章

一、概述

定义：1.聚合物基纳米复合材料：聚合物纳米复合材料是聚合物基体树脂与至少有一维尺度达到纳米级尺寸的无机颗粒组合成的。（Polymer nanocomposites are generally defined as the combination of a polymer matrix resin and inorganic particles (particles, layers or fibres) which have at least one dimension (i.e. length, width, or thickness) in the nanometer size range.）

2. 填充纳米复合材料：将纳米材料以粉体形式分散在聚合物基体中形成的复合材料，可以与基体共混形成，也可以原位聚合而成。

3.聚合物纳米复合材料的性能特点？1）高分子纳米复合材料多是由金属、陶瓷、粘土等作为纳米添加材料，高分子基体材料与添加材料之间性能差别大，因此形成的复合材料互补性好，容易获得两种材料都不具备的性能，有利于纳米效应的发挥。2）由于高分子基体材料具有易加工、耐腐蚀等优异性能，工业化成本较低，有利于成果的产业化过程。3）高分子基体材料自身的特点决定了，它还能抑制纳米颗粒的氧化和团聚过程，使体系具有较高的长效稳定性，能充分发挥纳米单元的特异性能。4）由于纳米粒子小, 表面积大, 与聚合物间的界面面积大, 能引起更大的界面相互作用和获得更理想的界面粘结; 5）两组分的热膨胀系数不匹配问题也得到消除。从而使得高分子材料具有更优异的物理与力学性能。

二、纳米材料与分散体系

定义4. 硬团聚：在强的作用力（化学键力）下引起的聚集

5. 软团聚：由颗粒间静电引力和范德华力作用引起的聚集

6. 影响水性和油性分散体系稳定性的因素？1）. 有机溶剂的影响：有机溶剂的性质对纳米粒子的分散程度有明显的影响。2）. 表面活性剂的影响：a.表面改性的纳米粉体以及良好的有机溶剂分散性，是获得纳米粉体良好分散体系的先决条件。b.阴离子表面活性剂，就能得到稳定的纳米Fe2O3分散体系，而非离子表面活性剂却难以得到的原因？阴离子表面活性剂在纳米粒子表面产生吸附，改变了纳米粒子的表面电荷分布，对纳米粒子起到了空间立体保护作用，能有效的防止纳米Fe2O3 成团聚体。3）. 分散工艺的影响：a.分散工艺优化后，可以使其分散粒径达到21nm 比如：调节PH 值、反应时间、溶剂的量等。 b.在DMF 中经过分散工艺优化后，可保持悬浮体系的相对稳定性。4）. 分散温度的影响：适当提高温度有助于纳米粉体的分散，但温度过高，纳米粉体易团聚。5）. 纳米粉体的粒径：纳米粉体的粒径越小，则越难分散。

三、纳米粉体的表面修饰与改性