纳米复合材料. 共48页
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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。
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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。
层片状材料为增强体的聚合物基纳米复合材料中，以蒙脱 土插层聚合物基复合材料最具代表性。
8
共混法是制备聚合物纳米复合材料最直接的方法，将无机纳 米微粒或超微粉直接分散于有机基体中制备得到纳米复合材 料。
溶胶-凝胶法是将硅氧烷或金属盐等前驱体溶于水或有机溶剂 中形成均质溶液，在酸、碱或盐的催化作用下促使溶质水解， 生成纳米级粒子并形成溶胶，溶胶经溶剂挥发或加热等处理 转变为凝胶，从而得到纳米复合材料。
4
5
纳米复合材料根据基体可以分为聚合物基纳米复合材料、 陶瓷基纳米复合材料、金属基纳米复合材料、半导体纳米 复合材料。
聚合物基纳米复合材料在制备工艺、组织结构分析和性能 研究与应用方面均领先于其它两类纳米复合材料。
纳米复合材料是一个新兴的多学科交叉研究领域，涉及材 料、物理、化学、生物等许多学科，制备出适合需要的高 性能、高功能复合材料是研究的关键所在。
纳米复合材料的制备技术各具特色，各有不同的适用范围， 快捷而方便地制备出更多性能优异的纳米复合材料是今后 发展的重点。
6
基本特点 制备方法 组织性能 应用领域
7
5.2 聚合物基纳米复合材料
以无机纳米微粒或超微粉、纤维、层片状材料为增强体， 以聚合物为基体的复合材料。
以无机纳米微粒作为增强体的复合材料，其代表性的是纳 米SiO2增强聚合物基复合材料。
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用纳米 SiO2 改性的树脂材料制作玻璃钢制品，因纳米颗粒 与有机高分子产生接枝和键和作用，使材料韧性增加。
纳米 SiO2 改性对环氧树脂材料的强度、韧性、延展性也有 大幅度提高。
纳米粒子可以强烈地反射紫外线，将它加入到环氧树脂中 可大大减少紫外线对环氧树脂的降解作用，从而达到延缓 材料老化的目的。
辐射合成法是先将聚合物单体与金属盐在分子水平上混合 均匀，形成含金属盐的单体溶液后，再进行辐照，通过促 进基体聚合和析出金属颗粒并抑制其长大，而得到分散相 尺寸小，分布均匀的复合材料。
10
自组装技术是指分子及纳米颗粒等结构单元在平衡条件下， 通过非共价键作用自发地缔结成热力学上稳定的、结构上 确定的、性能上特殊的聚集体的过程。
由于纳米 SiO2 的高流动性和小尺 料的耐磨性大大增强。
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碳纳米管增强聚合物基复合材料
碳纳米管（CNT）的拉伸强度接近200GPa，弹性模量也 高达1TPa，断裂延伸率高达 20%～30%，均远高于碳纤 维，同时还具有优异的热和电性能。
3
5.1 概述
纳米材料科学的发展为复合材料的研究开辟了新的领域。 纳米复合材料通常定义为，在多元复合组成中，至少有
一种固相至少在一维上处于纳米尺度范围内。 纳米复合材料采用的纳米单元成分可以是有机相，也可
以是无机相。 由于纳米粒子较大的比表面积，因此两相界面间存在强
相互作用，同时纳米粒子具有尺寸效应、局域场效应、 量子效应，因此能表现出常规材料所不具备的优异性能。
改性剂使 SiO2 表面带上 具有特定化学活性的有 机基团，改善 SiO2 粒子 与各种有机溶剂及聚合 物基体之间的相容性。
14
纳米 SiO2 作为补强剂，在普通橡胶中添加少量后, 产品的强 度、耐磨性和抗老化性等性能均能达到甚至超过传统高档橡 胶制品，而且能生产出色彩新颖、性能优异的橡胶制品。
如纳米 SiO2改性的橡胶材料，可以保持颜色长久不变，彩色 轮胎侧面胶的抗折性能由原来的 10 万次提高到 50 万次以上。
15
在塑料中，将纳米 SiO2加入到 聚酯树脂、环氧树脂、塑钢门 窗硬脂、乙烯基树脂等可加工 树脂材料中，能明显提高产品 质量，方便加工成型，提高生 产效率，增加品种，扩大应用 范围等。
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纳米SiO2的改性是改变其物化性质，提高其与有机分子的相 容性和结合力。
改性希望达到的目的包括： 1) 改善或改变粒子的分散性; 2) 改善耐久性, 如耐光、 耐热、 耐候性等; 3) 提高颗粒表面的活性; 4) 使颗粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能。
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纳米 SiO2的表面改性根 据表面改性剂与粒子表 面之间有无化学反应可 分为物理吸附、包覆改 性和表面化学改性。
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。
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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。
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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
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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
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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。
层片状材料为增强体的聚合物基纳米复合材料中，以蒙脱 土插层聚合物基复合材料最具代表性。
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共混法是制备聚合物纳米复合材料最直接的方法，将无机纳 米微粒或超微粉直接分散于有机基体中制备得到纳米复合材 料。
溶胶-凝胶法是将硅氧烷或金属盐等前驱体溶于水或有机溶剂 中形成均质溶液，在酸、碱或盐的催化作用下促使溶质水解， 生成纳米级粒子并形成溶胶，溶胶经溶剂挥发或加热等处理 转变为凝胶，从而得到纳米复合材料。
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纳米复合材料根据基体可以分为聚合物基纳米复合材料、 陶瓷基纳米复合材料、金属基纳米复合材料、半导体纳米 复合材料。
聚合物基纳米复合材料在制备工艺、组织结构分析和性能 研究与应用方面均领先于其它两类纳米复合材料。
纳米复合材料是一个新兴的多学科交叉研究领域，涉及材 料、物理、化学、生物等许多学科，制备出适合需要的高 性能、高功能复合材料是研究的关键所在。
纳米复合材料的制备技术各具特色，各有不同的适用范围， 快捷而方便地制备出更多性能优异的纳米复合材料是今后 发展的重点。
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基本特点 制备方法 组织性能 应用领域
7
5.2 聚合物基纳米复合材料
以无机纳米微粒或超微粉、纤维、层片状材料为增强体， 以聚合物为基体的复合材料。
以无机纳米微粒作为增强体的复合材料，其代表性的是纳 米SiO2增强聚合物基复合材料。
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用纳米 SiO2 改性的树脂材料制作玻璃钢制品，因纳米颗粒 与有机高分子产生接枝和键和作用，使材料韧性增加。
纳米 SiO2 改性对环氧树脂材料的强度、韧性、延展性也有 大幅度提高。
纳米粒子可以强烈地反射紫外线，将它加入到环氧树脂中 可大大减少紫外线对环氧树脂的降解作用，从而达到延缓 材料老化的目的。
辐射合成法是先将聚合物单体与金属盐在分子水平上混合 均匀，形成含金属盐的单体溶液后，再进行辐照，通过促 进基体聚合和析出金属颗粒并抑制其长大，而得到分散相 尺寸小，分布均匀的复合材料。
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自组装技术是指分子及纳米颗粒等结构单元在平衡条件下， 通过非共价键作用自发地缔结成热力学上稳定的、结构上 确定的、性能上特殊的聚集体的过程。
由于纳米 SiO2 的高流动性和小尺 料的耐磨性大大增强。
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碳纳米管增强聚合物基复合材料
碳纳米管（CNT）的拉伸强度接近200GPa，弹性模量也 高达1TPa，断裂延伸率高达 20%～30%，均远高于碳纤 维，同时还具有优异的热和电性能。
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5.1 概述
纳米材料科学的发展为复合材料的研究开辟了新的领域。 纳米复合材料通常定义为，在多元复合组成中，至少有
一种固相至少在一维上处于纳米尺度范围内。 纳米复合材料采用的纳米单元成分可以是有机相，也可
以是无机相。 由于纳米粒子较大的比表面积，因此两相界面间存在强
相互作用，同时纳米粒子具有尺寸效应、局域场效应、 量子效应，因此能表现出常规材料所不具备的优异性能。
改性剂使 SiO2 表面带上 具有特定化学活性的有 机基团，改善 SiO2 粒子 与各种有机溶剂及聚合 物基体之间的相容性。
14
纳米 SiO2 作为补强剂，在普通橡胶中添加少量后, 产品的强 度、耐磨性和抗老化性等性能均能达到甚至超过传统高档橡 胶制品，而且能生产出色彩新颖、性能优异的橡胶制品。
如纳米 SiO2改性的橡胶材料，可以保持颜色长久不变，彩色 轮胎侧面胶的抗折性能由原来的 10 万次提高到 50 万次以上。
15
在塑料中，将纳米 SiO2加入到 聚酯树脂、环氧树脂、塑钢门 窗硬脂、乙烯基树脂等可加工 树脂材料中，能明显提高产品 质量，方便加工成型，提高生 产效率，增加品种，扩大应用 范围等。
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纳米SiO2的改性是改变其物化性质，提高其与有机分子的相 容性和结合力。
改性希望达到的目的包括： 1) 改善或改变粒子的分散性; 2) 改善耐久性, 如耐光、 耐热、 耐候性等; 3) 提高颗粒表面的活性; 4) 使颗粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能。
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纳米 SiO2的表面改性根 据表面改性剂与粒子表 面之间有无化学反应可 分为物理吸附、包覆改 性和表面化学改性。