纳米复合材料简介

国内纳米界领军人物
❖ 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！
纳米复合材料
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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
❖ 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。
纳米复合材料涉及范围较宽，种类繁多。 分为4大类：
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。
➢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
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。
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
纳米复合材料
• 不成炭 • 蔓延 • 滴落
普通高分子材料
百度文库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
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）
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
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
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。
❖ 纳米科技研究的眼和手
国内纳米界领军人物
❖ 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）
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；
❖ 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。
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。