纳米复合材料

有机-无机纳米复合材料
• 人们用适当的方法将有机物与无机物复合，得 到了接近分子尺度上复合的有机聚合物-无机 物复合材料。这种材料被称为有机-无机纳米 复合材料或有机-无机杂化材料。 • 常用的制备方法有：溶胶-凝胶（sol-gel）法、 插层复合（intercalation）法和原位复合 （in-situ）法等。溶胶-凝胶法、原位复合法 以其发生的只要反应为标准，插层法特指未发 生化学反应的复合。
纳米粉体的化学制备方法
• 微乳液法 微乳液一般是由表面活性剂、助表面活性 剂、油和水组成，其中含有表面活性剂和 助表面活性剂组成的单分子层所包裹而形 成的微乳液滴状物，称之为微反应器。在 此微反应器内的物质可以透过单分子层外 壁进行扩散活动。由于乳液中微液滴的大 小决定钛酸钡的尺寸，同时液滴大小仅受 表面活性剂分子的亲水性部分的尺寸所控 制，因此使纳米晶颗粒粒径分布较窄。
纳米粉体的物理制备方法
• 高能机械球磨法制造纳米粉体 完全依赖机械能使大晶粒经球磨变成纳米 晶，同时还可以通过颗粒间湿相反应直接 得到合金纳米晶或复合纳米晶，且工艺简 单，制粉效率高。 局限性：容易带进杂质，而且此法只比较 适合于金属材料。
纳米粉体的化学制备方法
• 湿化学法制备纳米粉体 湿化学法较简单，易于规模生产。主要有 共沉淀法、乳浊液法、水热法等。 • 化学气相法 化学气相法是利用高温裂解原理，采用 直流等离子、微波等离子或激光作热源， 使前驱体发生分解，反应成核并长大成纳 米粉体。
a36wt%
b
c
d
Why nano? Why nanocomposite?
聚合物基无机纳米复合材料不仅具有纳米材料的 表面效应、量子尺寸效应等性质，而且将无机物的 刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加 工性及介电性能糅合在一起，从而产生许多特异的 性能 .
纳米粉体的物理制备方法
• 惰性气体冷凝法制 备纳米粉体 1) 高真空， 2) 惰性气体 3) 冷凝器 4) 较高压力下（15GPa）压实， 5) 如果采用多个蒸 发源，可同时得 到复合粉体或化 合物粉体。
凝胶的烧结
凝胶的烧结（sintering）过程也就是进行热处理的过程，实质上是由多孔 材料的界面能驱动的致密化过程。烧结时，材料通过流动或扩散来消除体系 内的空隙，减小固-气界面，实现致密化。
溶胶-凝胶法的工艺的特点： 1. 溶胶凝胶法由于存在大量的内表面， 烧结可在很低的温度下进行，为有机 无机材料的复合提供良好的条件 2. 制备从溶液开始，易于加工成型，尤 其可进行薄膜和涂层的应用
溶胶-凝胶法制备有机-无机纳米复合材料
• 正硅酸乙酯
正硅酸乙酯 水解， 缩合 酸性 快水解，慢缩合 碱性 慢水解，快缩合
直链 交联
溶胶-凝胶法制备有机-无机纳米复合材料
• 溶胶-凝胶的工艺过程
溶胶-凝胶法制备有机-无机纳米复合材料
• 溶胶-凝胶的工艺过程 凝胶的成化
在成化期内，由于水解-缩合反应（主要是缩合反应）的延续，凝胶的强度继 续增大，同时也引起凝胶网络的收缩。此外凝胶的溶解与再沉淀会引起凝胶 网孔的变大，并导致体系内液-液、固-液、固-固相的分离。
Why nano? Why nanocomposite?
• 大体积的界面区将提供足够的晶界滑移机会， 导致形变增加,在保持材料刚性的同时,大大提 高材料的韧性.
Traditional Stress nanocomposite
polymer
Why nano? Why nanocomposite?
从功能体角度: • 由于纳米分散相有大的表面积和强的界面相互作 用，纳米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料 的力学、热学、电学、磁学和光学性能，还可能具 有原组分不具备的特殊性能和功能，为设计制备高 性能、多功能新材料提供了新的机遇。
溶胶-凝胶法制备OINC
• 有机改性硅酸盐
R R OCH2CH3 R R OCH2CH3 R OCH2CH3 CH3CH2O
Si
Si
R
Si
OCH2CH3
Si
OCH2CH3
OCH2CH3Leabharlann Baidu
OCH2CH3
OCH2CH3
OCH2CH3
f=1 n=3
f=2 n=2
f=3 n=1
f=4
O O
OCH2CH3 CH3CH2O
Why nano? Why nanocomposite?
从增强体角度:
• 材料的屈服强度与晶粒尺寸平方根成反比，随 晶粒的细化材料强度将显著增加。
Why nano? Why nanocomposite?
从界面角度:
• 纳米复合材料与常规的无机填料/聚合物体系 不同，不是有机相与无机相的简单混合，而是 两相在纳米尺寸范围内复合而成。 • 由于分散相与连续相之间界面面积非常大，界 面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性 能，使界面模糊 • 大体积的界面区将提供足够的晶界滑移机会， 导致形变增加,在保持材料刚性的同时,大大提 高材料的韧性.
凝胶的干燥
首先，凝胶网孔内的液体再凝胶表面直接蒸发，蒸发留下的孔隙通过凝胶的 自发收缩来消除，凝胶外表面保留气-液界面。其次，当凝胶的强度大到不能 收缩后，液体延网孔向凝胶内回流，空气进入遗留空隙。第三阶段，当凝胶 内的液体不能直接流向外部后，液体在内部蒸发再向外扩散。 凝胶在干燥过程中，由于毛细管作用，会产生很大的收缩应力，如果蒸发速 度控制不当，极易引起凝胶体变形或龟裂。
溶胶-凝胶法制备有机-无机纳米复合材料
• 溶胶-凝胶法的基本原理可以用三个阶段来 表述： 单体（即先驱体）经水解、缩合生成溶胶 粒子（初生粒子，粒径为2nm左右）； 溶胶粒子聚集生长（次生粒子，粒径为6nm 左右）； 长大的粒子（次生粒子）相互连接成链， 进而在整个液体介质中扩展成三维网络结 构，形成凝胶。
纳米复合材料
计剑
概述
• 纳米材料是指尺度为1nm-100nm的超微 粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固 体。 • 纳米复合材料（nanocomposites）是指分 散相尺度至少有一维小于100nm的复合材 料。从基体与分散相的粒径大小关系， 复合可分为微米-微米、微米-纳米、纳 米-纳米的复合。