納米復合材料ohvgv8411

納米技術(nanotechndogy),也稱毫微技術，是研究結構尺寸在0.1納米至loo納米范圍內材料的性質和應用的一種技術。1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以0.1至到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術其實就是一種用單個原子、分子射程物質的技術。利用納米技術將氙原子排成IBM納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領域。納米科學與技術主要包括:納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。這七個相對獨立又相互滲透的學科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個研究領域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎。其中，納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎，而納米電子學是納米技術最重要的內容。當物質到納米尺度以后，大約是在0.1—100納米這個范圍空間,物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間,常常忽略這個中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，像鐵鉆合金，把它做成大約20—30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。在復合材料中，通常有一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相，稱為增強材料。分散相是以獨立的相態(tài)分布在整個連續(xù)相中，兩相之間存在著相界面。分散相可以是纖維狀、顆粒狀或是彌散的填料。復合材料中各個組分雖然保持其相對獨立性，但復合材料的性質卻不是各個組分性能的簡單加和，而是在保持各個組分材料的某些特點基礎上，具有組分間協(xié)同作用所產(chǎn)生的綜合性能。由于復合材料各組分間''取長補短〃，充分彌補了單一材料的缺點，產(chǎn)生了單一材料所不具備的新性能，開創(chuàng)了材料設計方面的新局面。合而成的復合材料。這些固相可以是非晶質、半晶質、晶質或者兼而有之，而且可以是無機物、有機物或二者兼有。納米復合材料也可以是指分散相尺寸有一維小于100nm的復合材料，分散相的組成可以是無機化合物，也可以是有機化合物，無機化合物通常是指陶瓷、金屬等，有機化合物通常是指有機高分子材料。當納米材料為分散相，有機聚合物為連續(xù)相時，就是聚合物基納米復合材料 。納米復合材料與常規(guī)的無機填料/聚合物體系不同，不是有機相與無機相的簡單混合，而是兩相在納米尺寸范圍內復合而成。由于分散相與連續(xù)相之間界面面積非常大，界面間具有很強的相互作用，產(chǎn)生理想的粘接性能，使界面模糊。作為分散相的有機聚合物通常是指剛性棒狀高分子，包括溶致液晶聚合物、熱致液晶聚合物和其它剛直高分子，它們以分子水平分散在柔性聚合物基體中，構成無機物/有機聚合物納米復合材料。作為連續(xù)相的有機聚合物可以是熱塑性聚合物、熱固性聚合物。聚合物基無機納米復合材料不僅具有納米材料的表面效應、量子尺寸效應等性質，而且將無機物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、加工性及介電性能糅合在一起，從而產(chǎn)生許多特異的性能。納米復合材料 是以樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等基體為連續(xù)相，以納米尺寸的金屬、半導體、剛性粒子和其他無機粒子、纖維、納米碳管等改性劑為分散相，通過適當?shù)闹苽浞椒▽⒏男詣┚鶆蛐缘胤稚⒂诨w材料中，形成一相含有納米尺寸材料的復合體系，這一體系材料稱之為納米復合材料。復合材料由于其優(yōu)良的綜合性能，特別是其性能的可設計性被廣泛應用于航空航天、國防、交通、體育等領域，納米復合材料則是其中最具吸引力的部分，如今發(fā)展很快，世界發(fā)達國家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復合材料的發(fā)展放到重要的位置。該研究方向主要包括納米聚合物基復合材料、納米碳管功能復合材料、納米鎢銅復合材料。在納米聚合物基復合材料方面，主要采用同向雙螺桿擠出方法分散納米粉體，分散水平達到納米級，得到了性能符合設計要求的納米復合材料。我們制備的納米蒙脫土PA6復合材料中，納米蒙脫土的層間距為1.96nm,處于國內同類材料的領先水平（中國科學院為1.5~1.7nm），蒙脫土復合到尼龍基體中后完全剝離成為厚度1~1.5nm的納米微粒，其復合材料的耐溫性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常優(yōu)秀，此材料已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化；正在開發(fā)的納米TiO2/聚丙烯復合材料具有優(yōu)良的抗菌效果，納米TiO2粉體在聚丙烯中分散達到60nm以下，此項技術正在申報發(fā)明專利。由于納米聚合物復合材料的成型工藝不同于普通的聚合物，本方向還積極開展新的成型方法研究，以促進納米復合材料產(chǎn)業(yè)化的進行。碳納米管是上個世紀九十年代初發(fā)現(xiàn)的一種新型的碳團簇類纖維材料，具有許多特別優(yōu)秀的性能。我們在碳納米管取得的研究成果主要包括：1） 大規(guī)模生產(chǎn)多壁碳納米管的技術，生產(chǎn)出的碳納米管的質量處于世界先進水平，生產(chǎn)成本也很低，為碳納米管的工業(yè)應用創(chuàng)造了條件。2） 開發(fā)了制造碳納米管為電極材料的雙電層大容量電容器的技術。3） 開發(fā)了制造具有軟基底定向碳納米管膜的技術。鎢銅復合材料具有良好的導電導熱性、低的熱膨脹系數(shù)而被廣泛地用作電接觸材料、電子封裝和熱沉材料。采用納米粉末制備的納米鎢銅復合材料具有非常優(yōu)越的物理力學性能,我們采用國際前沿的金屬復合鹽溶液霧化干燥還原技術成功制備了納米鎢銅復合粉體和納米氮化鎢一銅復合粉體，目前正在加緊其產(chǎn)業(yè)化應用研究。摘自課本《聚合物基復合材料》,針對的是聚合物基納米復合材料的制備方法。1、溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是最早用來制備納米復合材料的方法之一。所謂的溶膠-凝膠工藝過程是將前驅物在一定的有機溶劑中形成均質溶液，均質溶液中的溶質水解形成納米級粒子并成為溶膠，然后經(jīng)溶劑揮發(fā)或加熱等處理使溶膠轉化為凝膠。溶膠-凝膠中通常用酸、堿和中性鹽來催化前驅物水解和縮合，因其水解和縮合條件溫和，因此在制備上顯得特別方便。根據(jù)聚合物與無機組分的相互作用情況，可將其分為以下幾類：（1）直接將可溶性聚合物嵌入到無機網(wǎng)絡中把前驅物溶解在形行成的聚合物溶液中，在酸、堿或中性鹽的催化作用下，讓前驅化合物水解，形成半互穿網(wǎng)絡。（2）嵌入的聚合物與無機網(wǎng)絡有共價鍵作用在聚合物側基或主鏈末端引入能與無機組分形成共價鍵的基團，就可賦予其具有可與無機組分進行共價交聯(lián)的優(yōu)點，可明顯增加產(chǎn)品的彈性模量和極限強度。在良好溶解的情況下，極性聚合物也可與無機物形成較強的物理作用，如氫鍵。（3）有機-無機互穿網(wǎng)絡在溶膠-凝膠體系中加入交聯(lián)單體，使交聯(lián)聚合和前驅物的水解與縮合同步進行，就可形成有機-無機同步互穿網(wǎng)絡。用此方法，聚合物具有交聯(lián)結構，可減少凝膠的收縮，具有較大的均勻性和較小的微區(qū)尺寸，一些完全不溶的聚合物可以原位生成均勻地嵌入到無機網(wǎng)絡中。溶膠-凝膠法的特點是可在溫和條件下進行，可使兩相分散均勻，通過控制前驅物的水解-縮合來調節(jié)溶膠-凝膠化過程，從而在反應早期就能控制材料的表面與界面性能，產(chǎn)生結構極其精細的第二相。存在的問題是在凝膠干燥過程中，由于溶劑、小分子、水的揮發(fā)可能導致材料內部產(chǎn)生收縮應力，從而會影響材料的力學和機械性能。另外，該法所選聚合物必須是溶解于所用溶劑中的，因而這種方法受到一定限制。2、層間插入法層間插入法是利用層狀無機物（如粘土、云母等層狀金屬鹽類）的膨脹性、吸附性和離子交換功能，使之作為無機主體，將聚合物（或單體）作為客體插入于無機相的層間，制得聚合物基有機-無機納米復合材料。層狀無機物是一維方向上的納米材料，其粒子不易團聚且易分散，其層間距離及每層厚度都在納米尺度范圍1?100nm內。層狀礦物原料來源極其豐富，而且價廉。插入法大致可分為以下幾種：（1）熔融插層聚合先將聚合物單體分散并插入到層狀硅酸鹽片層中,然后進行原位聚合。利用原位聚合時所放出的大量熱量，克服硅酸鹽片層間的庫侖力而使其發(fā)生剝離，從而使硅酸鹽片層與聚合物基體以納米尺度復合。（2）溶液插層聚合將聚合物單體和層狀無機物分別溶解（分散）到某一溶劑中，充分分散后，混合到一起，攪拌一定時間，使單體進入無機物層間，然后在合適的條件下使聚合物單體聚合。（3）聚合物熔融插層先將層狀無機物與聚合物混合，再將混合物加熱到熔融狀態(tài)，在靜態(tài)或有剪切力的作用下，使聚合物插入層狀無機物的層間。該方法不需要溶劑，可直接加工，易于工業(yè)化生產(chǎn)，且適用面較廣。（4）聚合物溶液插層將聚合物大分子和層狀無機物一起加入到某一溶劑中，攪拌使聚合物分散在溶劑中，并插入到無機物片層間。溶液法的關鍵是尋找合適的單體和相容的聚合物黏土共溶劑體系。由于大量的溶劑不易回收，因此溶液法對環(huán)境不利。3、共混法3.共混法類似于聚合物的共混改性，是聚合物與無機納米粒子的共混，該法是制備納米復合材料最簡單的方法，適合于各種形態(tài)的納米粒子。根據(jù)共混方式，共混法大致可分為以下四種。（1）溶液共混將基體樹脂溶于良溶劑中，加入納米粒子，充分攪拌使之均勻分散，成膜或澆鑄到模具中，除去溶劑制得樣品。（2）乳液共混聚合物乳液與納米粒子均勻混合，最后除去溶劑而成型。乳液共混中有外乳化型與自乳化型兩種復合體系。外乳化法由于乳化劑的存在，一方面可使納米粒子更加穩(wěn)定，分散更加均勻，另一方面它也會影響納米復合材料的一些物化性能，特別是對電性能影響較大。自乳化型復合體系既能使納米粒子更加穩(wěn)定，分散更加均勻，又能克服外加乳化劑對納米復合材料的電學及光學性能的影，比外乳化型復合體系更可取。（3）熔融共混將聚合物熔體與納米粒子共混制成復合體系，其中所選聚合物的分解溫度應高于其熔點。熔融共混法較其它方法耗能少，且球狀粒子在加熱時碰撞機會增加，更易團聚，因而表面改性更為重要。（4）機械共混通過各種機械方法如攪拌、研磨等來制備納米復合材料。該法容易控制粒子的形態(tài)和尺寸分布，其難點在于粒子的分散。為防止無機納米粒子的團聚，共混前要對納米粒子進行表面處理除采用分散劑、偶聯(lián)劑和（或）表面功能改性劑等綜合處理外，還可用超聲波輔助分散。4、原位聚合法原位聚合法是將無機納米粒子與單體均勻混合后在一定溫度條件下由引發(fā)劑作用引發(fā)（或不加）的直接聚合，是制備具有良好分散效果的納米復合材料的重要方法。該法可一次聚合成型，適用于各類單體及聚合方法，并保持納米復合材料良好的性能。原位聚合法可在水相，也可在油相中發(fā)生，單體可進行自由基聚合，在油相中還可進行縮聚反應，適用于大多數(shù)有機-無機納米復合材料的制備。由于聚合物單體分子小，粘度低，表面有效改性后無機納米粒子容易均勻分散，保證了體系的均勻性和各項物理性能。原位聚合法反應條件溫和，制備的復合材料中納米粒子均勻分布粒子的納米特性完好無損，同時在聚合中，只經(jīng)一次聚合成型，不需熱加工，避免了由此產(chǎn)生降解，從而保持了基本性能的穩(wěn)定。但其使用有較大的局限性，以為該方法僅適用于含有金屬、硫化物或氫氧化物膠體粒子的溶液中使單體分子進行原位聚合制備納米復合材料LB技術在適當?shù)臈l件下，不溶物單分子層可以通過特定的方法轉移到固體基底上，并且基本保持其定向排列的分子層結構。這種技術是20世紀二三十年代由美國科學家LLangmuir及其學生K.Blodgett建立的一種單分子膜制備技術，它是將兼具親水頭和疏水尾的兩親性分子分散在水面上，經(jīng)逐漸壓縮其水面上的占有面積，使其排列成單分子層，再將其轉移沉積到固體基底上所得到的一種膜。根據(jù)此技術首創(chuàng)者的姓名，將此技術稱為LB膜技術。習慣上將漂浮在水面上的單分子層膜叫做Langmuir膜，而將轉移沉積到基底上的膜叫做Langmuir-Blodgett膜，簡稱為LB膜。LB膜的優(yōu)點膜厚為分子級水平(納米數(shù)量級)，具有特殊的物理化學性質；可以制備單分子膜，也可以逐層累積形成多層LB膜，組裝方式任意選擇；可以人為選擇不同的高分子材料，累積不同的分子層，使之具有多種功能：成膜可在常溫常壓下進行，所需能量小，基本不破壞成膜材料的高分子結構；LB膜技術在控制膜層厚度及均勻性方面遠比常規(guī)制膜技術優(yōu)越；可有效地利用LB膜分子自身的組織能力，形成新的化合物；LB膜結構容易測定，易于獲得分子水平上的結構與性能之間的關系。LB膜的缺點（1） 由于LB膜淀積在基片上時的附著力是依靠分子間作用力，屬于物理鍵力，因此膜的機械性能較差；（2） 要獲得排列整齊而且有序的LB膜，必須使材料含有兩性基團，這在一定程度上給LB成膜材料的設計帶來困難；（3） 制膜過程中需要使用氯仿等有毒的有機溶劑，這對人體健康和環(huán)境具有很大的危害性；（4） 制膜設備昂貴，制膜技術要求很高。自組裝法近年來出現(xiàn)了許多合成聚合物/無機納米復合膜的一些新方法。如用自組裝技術來制備復合膜，可將有機聚合物模板和無機納米粒子方便而可控地結合在一起。目前研究熱點是LB膜法和靜電自組裝法。（1）LB膜法：是利用具有疏水端和親水端的兩親性分子在氣－液（一般為水溶液）界面的定向性質，制備納米微粒與超薄聚合物膜形成的聚合物－無機層交替的復合材料［11］?？蓪嵤┑挠袃煞N方法，一是利用含金屬離子的LB膜，通過與H2S進行化學反應得到聚合物－無機納米復合膜；二是對已制備的納米粒子直接進行LB膜安裝。（2）靜電自組裝法：是以陰陽離子的靜電相互作用為驅動力，制備單層或多層有序膜［12］。先將硅、金屬或塑料模板經(jīng)APS（N-2-（2-aminoethyl）-3-aminopropyltrimethoxysilane）處理使之帶正電荷，然后將模板浸入帶負電荷的TiO2的溶液中，多次重復該過程就會得到一種多層結構納米復合材料，可在一定程度上控制微區(qū)的形態(tài)、結構。輻射合成法自從1984年德國科學家Gleiter等首次用惰性氣體凝聚法制得6nm的鐵超微粒子并在超真空條件下壓制成納米微晶塊體以來［2］,納米材料制備方法已有很大發(fā)展。除常見的真空蒸發(fā)冷凝法、熱等離子體法、球磨法、沉淀法、溶膠凝膠法、水熱反應法等以外［3］,又出現(xiàn)了輻射合成法［4,5,6］、微乳液法［7］、模板合成法［8］等新方法。其中輻射合成法制備納米材料具有明顯特點:(1)一般采用X射線輻照較大濃度金屬鹽溶液,制備工藝簡單，可在常溫常壓下操作,制備周期短;(2)產(chǎn)物粒