纳米复合材料简介

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五、应用探索
1. Zr基块体非晶合金已做成新一代高尔夫球拍材料 倍受青睐。
Ps:基于大块金属玻璃具有 良好的力学、化学及物理 性能,而且逐渐突破了尺寸 的限制,使之能制作成机械 结构材料、精密光学材料、 模具材料、耐腐蚀材 料、 储氢材料、软磁和硬磁材 料,应用于机械、电子、航 天、汽车、化工、军事等 多领域。
5.仿生材料(bionic materials) 仿生材料的研制是当前材料科学中学科交叉的 前沿领域. 纳米材料问世以后,仿生材料研究 的热点已开始转向纳米复合材料, 这是因为自 然界生物的某些器官实际上是一种天然的纳米 复合材料. 一些发达国家,如美国,日本,德国、俄罗斯 已经开始制定为人类健康服务的仿生材料的研 究计划,而纳米仿生材料的位置也越来越重要 高.
纳米科技研究的眼和手
国内纳米界领军人物
第一位 姓名:张立德 贡献:把纳米概念引入中国的第一人 单位:中科院物理所 点评:张先生是真正意义上最早把纳米概念引入中 国的本土科学家, 他和牟教授 合著的《纳米材料学》和《纳米材料和 纳米结构》是中国仅有的两本综合 性的纳米教材, 指引了众多青年学生和科技工作者走向纳米领域。 他近年 来致力于纳米材料的产业化,对推动纳米材 料和纳米技术在中国的发展居功至伟,是当之无愧 的中国纳米专家第一人。

电性能:粒子尺寸小于某一临界尺寸后,材料的电阻会
发生突变,例如金属会变为非导体。
纳米粒子的光学性能由于受量子尺寸效应和表面效应的
影响,其变化尤为显著。如贵金属所呈现的三阶非线性 光学性能等。
磁性能:铁磁性材料粒子的尺寸减小至单畴态时,通常
呈现高的矫顽力,进一步减小尺寸,则受热扰动影响, 表现为超顺磁性。
1、复合涂层材料 (composite coating materials) .纳米涂层材料由于具有高强、高韧、高 硬度特性,在材料表面防护和改性上有着 广阔的应用前景. .近年来纳米涂层材料发展的趋势是由单 一纳米涂层材料向纳米复合涂层材料发 展.
(2)制备纳米SiC陶瓷 Mitomo等用平均粒径为90nm的SiC粉为起始原料,加适当的添加剂Al2O3、 Y2O3和CaO,在1750 ℃热压可获得致密纳米SiC陶瓷。 (3)制备纳米TiO2陶瓷 Siegel等用气相凝聚法以及随后的原位压来制备超细纳米TiO2材料为了获 得更致密的结构可在900℃烧结14h,其密度超过理论密度的90%,但晶 粒增长过快。 (4)制备纳米晶ZrO2-3%Y2O3陶瓷 用混合硝酸盐经化学沉淀法得到无定形或多晶ZrO2-3%(质量)Y2O3粉 末。
纳米复合材料是纳米材料的一种,指分散相尺度至少有一维 小于100nm的复合材料,从基体和分散相的粒径大小关系,可 分为微米-纳米、纳米-纳米的复合 纳米复合材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米 材料被美国材料学会誉为“21世纪最有前途的材料”。
石块撞击引起应力发白
普通高分子材料
纳米复合材料
生物体的壳 为纳米结构, 有机体作为 结构导向剂, 基本单元为 晶态的 CaCO3 和非 晶态的SiO2 组成
纳米复合材料的发展方向
开展纳米复合人工超结构的研究。 根据纳米结构的特点把异质、异相、不同 的有序度的材料在组米尺度下进行合成 (synthesis)、组合(assembling)和 剪裁(tailoring),设计新型的元件,发 现新现象,开展基础和应用基础研究, 在继续开展简单纳米材料研究的同时,注 意对纳米复杂体系的探索也是当前纳米材 料发展的新动向.
纳米复合材料
4、纳米层状复合:即由不同材质交替形成的组分或结构交替变化的多层
膜,各层膜的厚度均为纳米级。 例如:Ni/Cu多层膜,Al/Al2O3纳米多层膜等。 其中第三种和第四种可统称为纳米复合薄膜材料
四、纳米复合材料的应用
纳米复合的发展已经成为纳米材料工程的重要组成部分。 世界发达国家发展新材料的战略,都把纳米复合材料的 发展摆到重要的位置. 美国在1994年11月中旬召开了国际上第一次纳米材料商 业性会议,纳米复合材料的发展和缩短其商业化进程是 这次会议讨论的重点; 德国在制定21世纪新材料发展的战略时,把发展气凝胶 和高效纳米陶瓷作为重要的发展方向; 英国和日本各自也都制定了纳米复合材料的研究计 划.纳米复合材料研究的热潮已经形成.

国内纳米界领军人物
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第二位 姓名:卢柯 生年:1965 单位: 沈阳金属所 2003年任中国科学院金属研究所所长、 博士生导师,中国科学院院士(年仅38 岁); 贡献:非晶晶化法制备纳米材料的始创 者 点评:卢先生是当今国际上公认的三种 纳米材料制备技术之一的非晶晶化法的 创造者,从出道以来一直工作在纳米研 究的国际前沿, 而且研究方向自始至终 很专一,因而很有深度。被誉为未来的 中国纳米第一人!
2、高力学性能材料
所谓高力学性能是指比目前常规材料所具有的强度、硬度、 韧性以及其他综合力学性能更好、更优越的性能,除了对传 统材料进行改性以外,发展高效力学性能材料已提到材料科 学工作者的面前,在这方面纳米复合材料的研究为探索高力 学性能材料开辟了一条新的途径.
3 、高强度合金
日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法(卢柯 1990非晶态是一种亚稳态,随着热处理温度上升, 晶化相(晶体)析出,最后达到平衡态,就好像将 非晶体在某条件下转化为晶化相。 )制备了高强、 高延展性的纳米复合合金材料,其中包括纳米Al-过 渡族金属-镧化物合金, 纳米Al-Ce-过渡族金属合金 复合材料,这类合金具有比常规同类材料好得多的 延展性和高的强度(1340~1560MPa).这类材料结 构上的特点是在非晶基体上分布纳米粒子
2. 在军工方面做为穿甲弹材料已列入美国国防部研 究计划。
纳米复合材料的应用前景
用于医学牙质材料
3 增韧纳米复相陶瓷
纳米尺度合成使人们为之奋斗将近一个 世纪的陶瓷增韧问题的突破成为一种可 能.
锆铝复合陶瓷,口腔医学应用
4 .超塑性 (superplasticity)
自20世纪80年代中期以来,超塑性陶瓷 材料相继在实验室问世. Wakai和Nieh等人在加Y2O3 稳定化剂的 四方二氧化锆中(粒径小于300nm)观察 到了超塑性,他们在此材料基础上又加 入20%Al2O3,制成的陶瓷材料平均粒径 约500nm,超塑性达200%至500%.
喷漆抗刮擦能力
普通高分子材料
纳米复合材料
阻燃性
• 成炭 • 不蔓延 • 不滴落
• 不成炭 • 蔓延
• 滴落
纳米复合材料
普通高分子材料
1980 – 2002年纳米复合材料国际专利统计
当纳米材料为分散相。有机聚合物为连续相时,就是 聚合物基纳米复合材料。纳米复合材料构成可示意下:
纳米复合材料涉及范围较宽,种类繁多。 分为4大类:
2.纳米粒子的结构、性能

纳米粒子的尺寸范围一般是1~100nm。当材料尺寸减小到 纳米级的某一尺寸,材料的物性会发生突变,与同组份的常 规材料的性能完全不同,所以纳米级材料表现出强烈的尺寸 依赖性。
而粒子的尺寸小于1nm时,称为团簇,其总原子数从几个至 几十个,几乎所有的原子都排列在粒子的表面上。 纳米粒子尺寸小,比表面积大,位于表面上的原子占相当大 的比例,因此粒子表现为具有壳层结构(包括键态、电子态、 配位数等)

化学性质方面 金属纳米粒子在空气中易氧化,甚至燃烧; 纳米粒子具有常规材料所没有的催化性能,且可以有特征反 应,在提高催化反应效率、优化反应路径、提高反应速度和 定向等方面,提供了新的途径。 物理性能方面 热性能:由于纳米粒子尺寸小,表面能高,其熔点、开始烧 结温度和晶化温度比常规粉体低;例如纳米银的熔点可低于 373K;常规氧化铝烧结温度在1973 ~ 2073K之间,而纳米 氧化铝可在1423 ~ 1673K之间烧结,致密度可达99.0%以 上


具有闭壳层电子结构的金属,如II主族的Ca、Mg等,其纳米粒子内
部的原子间距比常规块材的要大,相应地结合力性质从金属键向范 德华力转变; 常规的Si、Ge等材料是典型的共价键型材料,而其纳米粒子表现出 金属键的性质; 常规的离子键材料,如金属卤化物等,其纳米粒子带有共价键的性 质,且主要是由于表面原子的贡献。

原子间相互作用变化示图
纳米粒子的性能
由于纳米粒子的结构和原子间相互作用发生了上述 变化,导致在化学、物理(热、光、电磁等)性质 方面表现出特异性; 小尺寸效应(材料周期性边界条件的破坏); 表面或界面效应(表面能和活性的增大); 量子尺寸效应(电子能级或能带结构的尺寸依赖性) 等。

1.3国外知名华裔纳米界著名人士
杨培东,加利福尼亚州大学伯克 利分校华裔化学家、纳米技术领 域专家,多次获得各种科学奖金 和荣誉,成为纳米研究领域闪亮 的明星。 2003年被美国“技术评论”杂 志列入“世界100位顶尖青年发 明家”行列; 研究领域 半导体纳米线及纳米 器件

1.3国外知名华裔纳米界著名人士
大块金属玻璃(bulk metallic glass-BMG)
达 耐度序列性大 到 腐、排上方块 钢 蚀硬列却面金 的弯、度。又具属 曲耐、大类有玻 倍而磨弹块似金璃 。不损性金于属在 断性、属玻的导 裂能刚玻璃特电 ,等性璃的性性 断,和具原,, 裂它优有子但强 韧可异很一在度 性以磁高样原, 值经学的呈子导 可受、强无排热 180°
纳米复合材料
韩国琪
J高分子1001
3101126011
叶的实现自清洁的过程:右图为荷叶表面的电子显微镜照片,其表面由 很多密集排列的直径10~20μm左右“乳突”所组成,它们之间存在纳 米级空隙,而每一个微米级乳突上还存在很多直径200nm左右的小乳突。 形成微纳米双重结构的乳突,使空气填充其间。水在荷叶上,由于表面 张力和乳突间空气的阻力的作用,水的表面总是趋向于尽可能缩小成球 状,接触角可达170度左右,几乎完全不浸润。荷叶使水和尘埃在其表 面的接触面积比一般材料减少了90%多,水滴极易滚动,在水滴滚动 的同时,就带走了叶子上的尘埃和细菌,从而实现自清洁的功能。
纳米复合材料
1、0-0复合:即不同成分,不同相或者不同种类的纳米粒子复合而形成 纳米固体,这种复合体的纳米粒子可以是金属与金属、金属与陶瓷、金 属与高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷和高分子等构成的纳米复合体。
2、0-3复合:即把纳米粒子分散到常规的三维固体中; 例如:把金属纳米粒子弥散到另一种金属或合金中,或者加入常规的 陶瓷材料或高分子中,纳米陶瓷粒子(氧化物、氮化物)放入常规的金 属。高分字及陶瓷中。 3、0-2复合:即把纳米材料分散到二维的薄膜材料中,这种复合材料又可 分为均匀弥散和非均匀弥散两类。 均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布,人们可根据需要控制纳米粒 子的粒径及粒间距。 非均匀弥散:指纳米粒子随机地混乱地分散在薄膜基体中





王中林,美籍华裔,材料科学家 现任佐治亚理工学院终身教授,中国科 学院外籍院士,中科院研究生院博士生 导师。 王中林主要从事材料科学和纳米科学研 究。他在纳米材料可控生长、表征和应 用等多方面取得了多项有国际重要影响 力的原创性研究成果。 2006年发明了纳米发电机 长期进行氧化锌纳米结构的研究,使得 氧化锌成为除碳纳米管和硅纳米线外纳 米技术中又一重要材料体系。
3.纳米科技的研究历史和发展趋势
由于纳米微粒尺寸处于微观粒子和宏观物质交界的过渡区, 具有许多既不同于微观粒子又不同于宏观物质的特性,由于极 细的晶粒,大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身 具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道 效应等,纳米材料与同组成的微米晶体(体相)材料相比,在 催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能,因而成 为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。
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