Comp(粉體5)ok

1、1第五章第五章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料復(fù)合材料的增強(qiáng)材料 概述概述 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料(Reinforcement): 粘結(jié)在基體內(nèi)以粘結(jié)在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的高強(qiáng)改進(jìn)其機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的高強(qiáng)度材料。也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)相、增強(qiáng)劑等。度材料。也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)相、增強(qiáng)劑等。在不同基體材料中加入性能不同的增強(qiáng)材料。在不同基體材料中加入性能不同的增強(qiáng)材料。 目的：目的：獲得性能更為優(yōu)異的復(fù)合材料獲得性能更為優(yōu)異的復(fù)合材料。2一、一、 粉體材料粉體材料1 1 納米粉體材料納米粉體材料1.1 1.1 前言：前言：顆粒顆粒材料材料：碳酸鈣、氧化鎂、氧化鋯、蒙脫土、碳酸鈣、氧化

2、鎂、氧化鋯、蒙脫土、 硅藻土、納米材料等、硅藻土、納米材料等、SiC 、 Si3N4、 Al2O3 等；等；晶須晶須材料材料：SiC、Al2O3、鈦酸鉀、鈦酸鉀、氮化硅氮化硅、硼硼酸酸 鋁、鋁、氧化鋅氧化鋅晶須等；晶須等；陶瓷材料：陶瓷材料：上面講的上面講的“陶瓷基體材料陶瓷基體材料”也可作為增強(qiáng)材料也可作為增強(qiáng)材料3層狀化合物：層狀化合物： 蒙脫土蒙脫土 ，K2Ti4O9，Na2Ti3O7， K2La2Ti3O10 ，Cs0.7Ti1.825O4（纖鐵礦型纖鐵礦型）；）； K0.45MnO2（-NaFeO2型及其相關(guān)結(jié)構(gòu)型及其相關(guān)結(jié)構(gòu)）; ACa2Nb3O10（層狀鈣鈦礦型層狀鈣鈦礦型）41

3、.2 無機(jī)納米顆粒制備方法無機(jī)納米顆粒制備方法 溶膠溶膠- -凝膠凝膠（so-gel)法法; ; 水熱合成法水熱合成法; ;微波照射凝膠微波照射凝膠- -溶膠法溶膠法; ; 硬脂酸法硬脂酸法水溶液回流法水溶液回流法; ; 水解法水解法微波回流法微波回流法; ; 調(diào)溫快速沉淀法調(diào)溫快速沉淀法; ; 水玻璃相合成水玻璃相合成法法自組裝法等自組裝法等51.4 納米顆粒的表面改性方法納米顆粒的表面改性方法 1.4.1 表面無機(jī)包覆改性表面無機(jī)包覆改性 用無機(jī)化合物對微用無機(jī)化合物對微/ /納米粒子進(jìn)行表面納米粒子進(jìn)行表面包覆，使其具有特殊功能，并對納米粒子包覆，使其具有特殊功能，并對納米粒子的團(tuán)聚起減

4、弱或屏蔽作用的團(tuán)聚起減弱或屏蔽作用 。6改性改性方法：方法：1). .溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法 無機(jī)鹽溶膠無機(jī)鹽溶膠- -凝膠法凝膠法: : 控制無機(jī)鹽沉淀過程控制無機(jī)鹽沉淀過程得到溶膠得到溶膠, ,然后對然后對微微/ /納米粒子進(jìn)行包覆。納米粒子進(jìn)行包覆。 醇鹽水解法：醇鹽水解法：將金屬醇鹽溶于有機(jī)溶劑，加將金屬醇鹽溶于有機(jī)溶劑，加水后發(fā)生水解反應(yīng)水后發(fā)生水解反應(yīng) ，得到均勻溶膠然后對，得到均勻溶膠然后對微微/ /納米粒子納米粒子然后然后進(jìn)行包覆。進(jìn)行包覆。7 2). . 沉淀法（沉積法）沉淀法（沉積法）：利用化學(xué)沉淀反利用化學(xué)沉淀反應(yīng)，將生成物沉積在顆粒表面形成一層或多層包應(yīng)，將生成物沉

5、積在顆粒表面形成一層或多層包覆層。覆層。 3). .非均相凝聚法非均相凝聚法：利用利用顆顆粒表面帶有電荷，粒表面帶有電荷，而無機(jī)包覆物帶有相反電荷，因相互吸引產(chǎn)生凝而無機(jī)包覆物帶有相反電荷，因相互吸引產(chǎn)生凝聚的原理來制備包覆聚的原理來制備包覆層層。 4). .非均勻成核法非均勻成核法： 利用無機(jī)包覆物的微粒利用無機(jī)包覆物的微粒在包覆物上非均勻成核并長大得到包覆層。在包覆物上非均勻成核并長大得到包覆層。 改性改性方法：方法：81.4.2 表面接枝改性表面接枝改性1）硅烷偶聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑2）硬酯酸偶聯(lián)劑等硬酯酸偶聯(lián)劑等9(1)(1). .常用的常用的硅烷偶聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑 KH-550結(jié)構(gòu)式：結(jié)構(gòu)式

6、：US A-1100H2N(CH2)3SiOC2H5OC2H5OC2H5KH-560結(jié)構(gòu)式：結(jié)構(gòu)式：US A-187CH2CCO(CH2)3SiOCH3CH3OOCH3OCH3KH-570結(jié)構(gòu)式：結(jié)構(gòu)式：US A-174KH-590結(jié)構(gòu)式：結(jié)構(gòu)式：US A-189CH3OSiOCH3OCH3OCH2O3CH2CHCH2OHS(CH2)3Si(OCH3)310 (2) 硬脂酸改性法硬脂酸改性法TiTiTiO OCCH3(CH2)12CH2CH2CH2CH2O OCCH3(CH2)12CH2CH2CH2CH2O OCCH3(CH2)12CH2CH2CH2CH2TiTiOHOCCH3(CH2)12C

7、H2CH2CH2CH2TiTiTiTiTi+TiO2Ti113. . 層狀化合物層狀化合物1).).蒙脫土蒙脫土 蒙脫土蒙脫土(Montmorillonite) )的的片層結(jié)片層結(jié)構(gòu)是納米尺度。整個(gè)片層厚約構(gòu)是納米尺度。整個(gè)片層厚約1nm1nm，長寬約長寬約100 nm， 包含三個(gè)亞層，在兩個(gè)硅氧四面包含三個(gè)亞層，在兩個(gè)硅氧四面體亞層中間夾含一個(gè)鋁氧八面體亞體亞層中間夾含一個(gè)鋁氧八面體亞層，亞層之間通過共用氧原子以共層，亞層之間通過共用氧原子以共價(jià)鍵連接。價(jià)鍵連接。 片層帶有負(fù)電荷，過剩的負(fù)電荷片層帶有負(fù)電荷，過剩的負(fù)電荷靠游離于層間的靠游離于層間的Na+、Ca2+和和Mg2+等陽離子平衡。等

8、陽離子平衡。 圖圖 蒙脫土的理想晶體結(jié)構(gòu)示意圖蒙脫土的理想晶體結(jié)構(gòu)示意圖122.1 層狀化合物的化學(xué)改性層狀化合物的化學(xué)改性 1). 1). 離子交換反應(yīng)離子交換反應(yīng) 層狀化合物片層間分布的離子，容易與外界離子層狀化合物片層間分布的離子，容易與外界離子（有機(jī)大分子陽離子，聚陽離子，有機(jī)配合物陽離子、有機(jī)大分子陽離子，聚陽離子，有機(jī)配合物陽離子、過渡金屬、稀有金屬的水合離子過渡金屬、稀有金屬的水合離子）進(jìn)行交換，同時(shí)保持）進(jìn)行交換，同時(shí)保持層狀骨架基本不變。層狀骨架基本不變。圖圖 有機(jī)分子陽離子交換有機(jī)分子陽離子交換132). . 嵌入反應(yīng)（插入反應(yīng)）嵌入反應(yīng)（插入反應(yīng)）圖圖 正烷基胺正烷基胺(

9、n8)(n8)在層間排列方式在層間排列方式Y(jié)anping Wang, Junwu Zhu, Xujie Yang, Lude Lu, Xin Wang. Mater. Res. Bull., 2006, 41: 1565-1570P. Jonsson, M. F. Hansen. Phys. Rev. B., 2000, 61(2): 1261-12662468101214161820012345 層間距 /nm烷基胺中碳原子 數(shù)目圖圖 層間距與嵌碳原子數(shù)層間距與嵌碳原子數(shù)(n)(n)之間的關(guān)系之間的關(guān)系143). . 剝離反應(yīng)剝離反應(yīng) 當(dāng)在層間引入大分子，層間距增大到一定程度時(shí)，層當(dāng)在層間引

10、入大分子，層間距增大到一定程度時(shí)，層與層之間的作用力會逐漸減弱直至消失，引起層與層的與層之間的作用力會逐漸減弱直至消失，引起層與層的分離，發(fā)生剝離反應(yīng)分離，發(fā)生剝離反應(yīng) 圖圖 層狀結(jié)構(gòu)化合物剝離示意圖層狀結(jié)構(gòu)化合物剝離示意圖15剝離產(chǎn)物構(gòu)筑其他結(jié)構(gòu)的新材剝離產(chǎn)物構(gòu)筑其他結(jié)構(gòu)的新材料料 圖圖 剝離后的納米層自組裝成剝離后的納米層自組裝成超細(xì)復(fù)合膜超細(xì)復(fù)合膜和和核核- -殼結(jié)構(gòu)殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料示意圖復(fù)合材料示意圖16圖圖 不規(guī)則層狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則層狀結(jié)構(gòu)Li-Mn-O化合物形成示意圖化合物形成示意圖17 4). . 柱撐反應(yīng)柱撐反應(yīng) 圖圖 層狀材料復(fù)合機(jī)理示意圖層狀材料復(fù)合機(jī)理示意圖韓巧鳳，汪信，楊緒杰

11、，陸路德韓巧鳳，汪信，楊緒杰，陸路德. . 環(huán)境污染與防治，環(huán)境污染與防治，20012001，23(4)23(4)：148-150148-150185). .還原反應(yīng)還原反應(yīng) 具有電子傳導(dǎo)性的層狀化合物，如具有電子傳導(dǎo)性的層狀化合物，如石墨石墨、過渡金屬、過渡金屬硫化物、過渡金屬鹵氧化物以及一些層狀的金屬氧化硫化物、過渡金屬鹵氧化物以及一些層狀的金屬氧化物，金屬嵌入后，就會在層板表面發(fā)生還原反應(yīng)。物，金屬嵌入后，就會在層板表面發(fā)生還原反應(yīng)。6). .接枝反應(yīng)接枝反應(yīng) 客體分子的官能團(tuán)可以與層的表面基團(tuán)形成共價(jià)客體分子的官能團(tuán)可以與層的表面基團(tuán)形成共價(jià)鍵，可制備衍生的層狀化合物。鍵，可制備衍生的

12、層狀化合物。Gang Xiong, Xin Wang, Xujie Yang,Lude Lu. Chem. Mater., 2001, 13(6): 1943-1945 197). .聚合反應(yīng)聚合反應(yīng) 在層狀化合物層間有規(guī)律地排布聚合物單在層狀化合物層間有規(guī)律地排布聚合物單體，并控制聚合反應(yīng)，則可制備結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)體，并控制聚合反應(yīng)，則可制備結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良的聚合物良的聚合物/ /層狀化合物納米復(fù)合材料。層狀化合物納米復(fù)合材料。 該復(fù)合材料具有更優(yōu)越的力學(xué)、熱學(xué)、電該復(fù)合材料具有更優(yōu)越的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和氣磁學(xué)和氣/ /液阻隔性能，是材料領(lǐng)域中的研究液阻隔性能，是材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。熱點(diǎn)。208).8).分子識別反應(yīng)分子