纳米复合材料.ppt

复合材料CompositeMaterials 材料科学与工程学院刘颖教授主讲 2 纳米复合材料 Nano CompositeMaterials 3 主要内容纳米复合材料的定义纳米复合材料的分类纳米复合材料的制备纳米复合材料的应用 4 高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切 纳米技术为发展高性能新材料和对现有材料的性能进行改善提供了一个新的途径 纳米复合材料与传统复合材料在结构和性能上有明显区别 成为材料学 物理化学和聚合物化学和物理等多门学科交叉的前沿领域 成为研究的热点 纳米材料的典型代表 纳米碳管 5 纳米复合材料的定义 6 纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内 或以它们作为基本构成单元的材料 零维在空间三继尺度均在纳米尺度 如纳米颗粒 原子团簇等 一维在三继空间有两维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管等 二维在三维空间中有一维在纳米尺度 如超薄膜 多层膜 超晶格等 0维纳米Au颗粒 1维纳米Au线 7 纳米复合材料 Nano composites 是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小 1 100nm 复合而成的复合材料 固相可以是非晶 晶态或兼而有之 而且可以是无机 有机或二者都有 Co WC纳米复合硬质合金微观形貌 Co WC纳米复合硬质合金材料 8 纳米复合材料的分类 9 按基体形状可把纳米复合材料大致分为0 0复合 0 2复合 0 3复合 1 3复合和2 3复合等主要形式 0 0复合 不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米复合材料 纳米粒子可以是金属与金属 陶瓷与高分子 金属与高分子 陶瓷与陶瓷 陶瓷与高分子等构成 纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料 HRA达到91 10 0 2复合 把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到的纳米复合薄膜材料 可分为均匀弥散型和非均匀弥散型 均匀弥散型是指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散 非均匀弥散型是指纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中 纳米薄膜 纳米薄膜太阳能电池 11 0 3复合 把纳米粒子分散到常规三维固体材料中 也即纳米 微米复合材料 通过纳米粒子加入和均匀分散在微米粒子基体中 阻止基体粒子的晶粒长大 以获得具有微晶结构的致密材料 使材料强度 硬度 韧性等力学性能得到显著提高 纳米 微米复合材料结构示意图 12 1 3复合 主要是纳米碳管 纳米晶须与常规金属粉体 陶瓷粉体和聚合物粉体的复合 对金属 陶瓷和聚合物有特别明显的增强作用 2 3复合 无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物前驱物的复合 主要是插层纳米复合材料的合成 纳米碳管增强复合材料示意图 13 近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体 同样可以作为纳米复合材料的母体 通过物理或化学方法将纳米粒子填充在介孔中 孔洞尺寸为纳米或亚微米级 这种介孔复合体也是纳米复合材料 低密度多孔镍形貌 14 按基体类型分为金属基 陶瓷基和聚合物基纳米复合材料 15 纳米复合材料的制备 16 无机纳米复合材料制备高能球磨法 将两种或两种以上无机粉末放入球磨机中 利用球磨机的转动或振动 使硬球对原料进行强烈的撞击 研磨和搅拌 粉末颗粒经压延 压合 碾碎 再压合的反复过程 获得纳米复合粉末 烧结后得到纳米复合材料 行星式高能球磨机 不锈钢磨球 17 高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金 如Cu Fe Cu Cr Cu W等材料 还可用于制备TiAl NiAl等金属间化合物和超硬合金等 高能球磨法还能制备纳米晶复合材料 晶粒细化是由于粉末反复形变引起缺陷密度的增加 当缺陷密度达到临界值时 粗晶内部破碎 这个过程不断重复 最终形成纳米晶复合材料 高能球磨制备的Ti C N 粉末形貌 XRD分析显示f粉末晶粒尺寸在100nm以下 18 西安交通大学通过对Al Ti系粉末进行高能球磨和压制烧结 发现Al Ti合金系高能球磨后 各组元晶粒得到细化 并且Ti在Al中发生了强制超饱和固溶 烧结时形成纳米晶Al3Ti Al复合材料 Hwang等通过机械球磨Mg Ti和C粉合成Mg Ti C纳米复合材料 Mg晶粒尺寸在25 60nm之间 TiC颗粒尺寸在30 70nm之间 Mg Ti C纳米复合材料具有高的屈服强度和与Mg Ti合金相似的高延展性 19 非晶晶化法 在合金液的凝固中实现快速冷却 使熔体中原子的组态将基本上保持不变 被 冻结 形成长程无序的非晶结构 再通过晶化热处理对原子进行 解冻 控制热处理温度和时间 使原子具有足够的能量和时间进行扩散 得到纳米晶复合材料 快淬法制备非晶NdFeB条带 20 利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在20 30nm的纳米晶双相复合NdFeB Fe永磁粉末 其最大磁能积可以达到126 132kJ m3 将其与高分子树脂制成粘结磁体的可广泛应用于计算机 打印机 空调 汽车所用的微特电机及传感器等领域 纳米晶双相复合NdFeB Fe粉末的微观形貌 21 非常规快速烧结 用纳米粉体制备纳米复合材料 最终显微结构中晶粒仍要保持在纳米尺度是非常困难的 由于纳米粉末的巨大活性 在烧结过程中晶界扩散非常快 极易发生晶粒快速生长 采用非常规烧结工艺 如微波烧结 放电等离子烧结 感应烧结和自蔓延燃烧合成等 可在烧结过程中降低烧结温度 缩短烧结时间 加快冷却速度等 有效抑制晶粒的长大 其中采用是比较有效的技术 22 放电等离子烧结 颗粒间的放电 纳米SiCx纤维的联结 23 只需较低的温度 600 750 只需较低的压力 102MPa只需很短的时间 约2分钟 包括 由室温加热至热压温度 约700 进行热压冷却至约200 热压后可获得全密度有效地防止晶粒长大价格低廉 感应烧结 纳米晶双相复合NdFeB Fe致密磁体 24 利用粉末状混合物化学反应产生的热量和反应的自传播性 使材料燃烧和合成来制备纳米复合材料 反应迅速 能耗低 纯度高 最适合于生成热大的化合物的合成 如AlN TiC TiB等 自蔓延高温合成 自蔓延高温合成的纳米TiN粉末 25 这些方法的共同特点是可瞬时加热到所需温度 烧结中还可以借助压力驱动 使致密化加速而不使晶粒迅速长大 而燃烧合成则可反应放热 在瞬间完成致密化 使用微波烧结技术对ZrO2纳米粉体进行烧结 最终可达98 以上理论密度 晶粒尺寸在100 200nm 在1450 C用SPS技术烧结Al2O3陶瓷的强度可达800MPa以上 比常规工艺烧结的陶瓷强度高一倍以上 显微硬度HV达到18 5GPa 26 涂层法 涂层是用物理的 化学的或者其它方法 在金属或者非金属表面形成一层具有一定厚度 不同于基材自身 且具有一定的强化 防护或特殊功能的覆盖层 通过调节相应的工艺条件 控制涂层的厚度 形成均匀的纳米薄膜 得到纳米复合材料 制备纳米复合材料的涂层法主要有磁控溅射 物理化学气相沉积 电沉积和热喷涂等 27 磁控溅射 等离子喷涂 化学气相沉积 电化学沉积 28 M Gell等采用等离子弧喷涂制备出Al2O3 TiO2纳米结构涂层 其中Al2O3晶粒尺寸为20 70nm 与普通涂层相比 纳米结构涂层的气孔率降低 结合强度增大 耐冲蚀磨损性能提高了3倍 而且韧性较传统涂层大大提高 JianhongHe等采用热喷涂技术制备出纳米结构的Cr3C2 NiCr涂层 退火后涂层晶粒为39nm 同时出现平均尺寸为8 3nm的析出相 纳米涂层的显微硬度HV达1200 而传统涂层显微硬度HV仅为846 此外 纳米涂层划痕抗力明显增加 摩擦因数降低 29 剧烈塑性变形法 采用大塑性变形细化技术可使材料组织细化到亚微米级或纳米级 等通道角形变ECAP equalchannelangularpressing 高压扭转形变HPT highpressuretorsion 和多重轧制复合ARB accumulativerollbonding 等方法依靠剪切力使材料在不改变横截面积情况下产生大的剪切变形 从而使材料晶粒尺寸细化到10 1000nm 30 剧烈苏醒变形原理图 a 高压扭转变形 b 等通道角形变 31 高碳钢 1 8 C 的微观结构 a 常规状态 b 室温下剧烈塑性变形后 a b 32 a b Ti合金的微观结构 a 等通道角形变 变形角度90 b 等通道角形变 变形角度180 33 日本用ARB accumulativerollbonding 方法 通过对含Ti的超深冲钢 IF钢 经过5次500 的ARB循环后 晶粒尺寸细化到500nm以下 通过多向变形加工 变化变形方向 能促进奥氏体 铁素体相变 从而加速铁素体的形核速度 并强制引发晶内湍流 起到破碎晶粒的作用 通过多向变形细化技术可以有效地细化低合金钢甚至高合金钢的显微组织 34 有机纳米复合材料制备溶胶 凝胶法 溶胶 凝胶法是将前驱物 金属有机化合物 如金属醇盐以及部分无机盐 在一定的溶剂 水或有机溶剂 中形成均质溶液 溶质水解 或醇解 形成纳米级粒子并成为溶胶 然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶的过程 35 溶胶 凝胶法的基本原理可用三个阶段表述 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 36 溶胶 凝胶法的工艺过程 先驱体经水解 缩合生成溶胶 溶胶转化成凝胶 凝胶经陈化 干燥 热处理 烧结 等不同工艺处理 得到不同形式的材料 凝胶的陈化 干燥和热处理 烧结 是溶胶 凝胶工艺中比较重要的步骤 典型的溶胶 凝胶工艺流程示意图 37 层间插入法 层间插入法利用层状无机物 如粘土 云母等层状金属盐类 的膨胀性 吸附性和离子交换功能 使之作为无机主体 将聚合物 或单体 作为客体插入无机相的层间 制得聚合物基有机 无机纳米复合材料 层状无机物是一维方向上的纳米材料 粒子不易团聚 又易分散 其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范围1nm 100nm 不仅可大幅度提高机械性能 还能获得多种功能特性 38 蒙脱土是水合的铝硅酸盐 具有八面体铝层夹于四面体SiO2层的夹心薄片结构 其薄片表面的净负电荷使其能吸引Na 或Ca2 等正离子 此特性使其能够与单体进行嵌插 是制备聚合物 粘土纳米复合材料 Po1ymer ClayHybrids 简称PCH 最重要的研究对象 插层用的蒙脱土材料 39 从材料微观形态的角度 可将PCH材料分成三类 普通 Conventional 型 PCH材料中粘土片层紧密堆积 粘土片层之间并无聚合物插入 插层 Intercalated 型 PCH材料中粘土片层间有少量高聚物分子插入 但末使其完全脱离联系 粘土颗粒在聚合物基体中保持着 近程有序 远程无序 的层状堆积的骨架结构 解离 Exfo1iated 型 PCH材料中厚度为1nm数量级的粘土片层独立均匀的分散于聚合物基体中 粘土分散程度接近分子水平 粘土片层与聚合物实现纳米尺度的均匀混合 40 聚合物 粘土纳米复合材料可能的类型示意图 41 直接分散法 将无机纳米微粒直接分散于有机总质制备无机聚合物纳米复合材料的方法 在分散的SiO2微粒 20nm 聚吡咯胶体中加入单体和作为氧化刘的FeCl3 聚合制成聚吡咯 SiO2纳米复合材料 聚吡咯将纳米SiO2微粒胶粘在一起即形成纳米复合材料 这类材料可用作为可见凝集免疫测定中高显色的 高显色的标记器 微粒 42 原位聚合法 原位聚合法是先使纳米粒子在聚合物单体中均匀分散 再引发单体聚合 是制备具有良好分散效果的纳米复合材料的重要方法 原位聚合法反应条件温和 制备的复合材料中纳米粒子分散均匀 粒子的纳米特性完好无损 同时在聚合中只经一次聚合成型 不需热加工 避免了由此产生的降解 保持了基本性能的稳定 该法适合在含有金属 硫化物或氢氧化物胶体粒子的溶液中进行单体分子原位聚合制备纳米复合材料 如SiO2 PMMA纳米复合材料 43 将高聚物EMAA与Pb的醋酸盐或乙酰丙酮化物研磨 在160 蒸去乙酸或乙酰丙酮 将含有Pb的EMAA膜暴露于H2S 常压下得到纳米PbS EMAA复合膜 EMAA是具有良好机械和光学性能的基质 赋于纳米尺寸的半导体微粒优异的动力学稳定性 PbS从分子到块体的转变 随着粒径减小 带隙蓝移 最终接近PbS分子的第一个允许激发态转变能量 以离聚物为基质制备稳定的硫化物纳米微粒而形成的半导体聚合物复合材料 具有与分子和块体材料不同的特性 具有良好的非线性光学性能 为红外和微波应用提供新材料 44 利用Si3N4粉表面的SiO2层与C反应 在烧结过程中原位生成SiC纳米颗敞制成Si3N4 SiC纳米复合材料的方法 重要的是通过控制Si3N4粉含氧量 控制Si3N4粉表面的SiO2层厚 然后 通过甲烷热解方法在Si3N4粉上镀上一层碳 最后将镀C的Si3N4粉与Y2O3 Al2O3粉在酒精中球磨分散 干燥后再干磨 再经热压烧结制成Si3N4 SiC纳米复合材料 45 模板自组装法 利用某一聚合物基材作模板 通过物理吸附或化学反应 离子交换或络合转换法 等手段将纳米粒子原位引入模板制造复合材料的方法 在有序模板的存在和制约下 纳米相将具有一些特殊结构和性质 通过分子自组装和组装技术可实现材料结构和形态的人工控制 使结构有序化 进而控制材料功能 在磁 光 光电 催化 生物等领域的潜在应用 决定了分子自组装纳米复合材料很有发展前途 46 纳米复合材料的应用 47 结构型纳米复合材料 发展高力学性能材料刻不容缓 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 在纳米复合材料中 高强度 高模量 耐热性好的纳米颗粒 纳米晶片 纳米晶须 纳米纤维等弥散于基体中 可提高基体材料的强度 模量 韧性 抗蠕变和抗疲劳性 高温性能 艾菲尔铁塔 旧金山金门大桥 48 高强度合金 日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备高强 高延展性的纳米复合材料 纳米AI Ce 过渡族金属合金复合材料比常规同类材料好得多的延展性和高的强度 1340 1560MPa 材料结构特点是在非晶基体上分布着30 50nm的Ce粒子 外部包有10nm厚的晶态A1 这种复杂的纳米结构合金是导致高强 高延展性的主要原因 49 比强度 比模量是指材料的强度或模量与密度之比 材料的比强度愈高 制作同一零件则自重愈小 材料的比模量愈高 零件的刚性愈大 纳米复合材料具有比强度 比模量高等特点 50 上海交通大学将多壁碳纳米管 CNTs 添加入101铸铝合金中 发现CNTs能细化复合材料的晶粒组织 当CNTs加入量不超过2 时 随着CNTs的增加 强度和硬度也逐渐增加 复合材料的抗拉强度比基体最高可提高100 硬度比基体最高可提高110 多壁碳纳米管 51 中科院金属所用单壁碳纳米管SWNTs和纳米Al粉制备出SWNTs 纳米铝基块体复合材料 发现当SWNTs含量小于5 0 时 材料的硬度随着SWNTs含量的增加而上升 其硬度可达2 89GPa 大约是粗晶Al 0 15GPa 的20倍 单壁碳纳米管 52 四川大学用表面处理后的纳米碳管与CuSn合金粉末一起烧结 得到纳米碳管增强的CuSn基纳米复合材料 将其制成多孔含油轴承后 发现轴承的显微硬度 径向压溃强度和含油率都大大提高 含油轴承 53 合肥工业大学以SiC SiO2 Al2O3和AlN等纳米颗粒为增强相 制备出Cu SiC Cu SiO2 Cu Al2O3和Cu AlN等铜基纳米复合材料 纳米颗粒对铜基体起到了良好的强化和硬化效果 所得到的四种Cu基纳米复合材料硬度和强度都高于纯铜 纳米颗粒含量对Cu基复合材料硬度 a 和抗弯强度 b 的影响 54 超强钢 钢铁材料的强度与晶粒尺寸的关系可由Hall Petch公式给出 s 0 kd 1 2式中d为晶粒的平均直径 组织超细化是提高钢铁材料强度和韧性的最佳强化机制 通过不同的晶粒细化工艺可使钢铁材料组织细化到微米级 亚微米级和纳米级 使传统钢铁材料的综合力学性能得到大幅度提高 55 日本Osaka大学采用相变预处理 冷轧塑性变形和再结晶技术 将SS400钢的晶粒细化到180nm左右 低温退火后析出均匀的纳米碳化物 抗拉强度达到870MPa 塑性达到20 SS400钢经50 的冷轧后在773K退火30min的TEM图谱 56 燕山大学对低碳板条马氏体的Q235钢板进行多道次大变形量 累积压下量达93 冷轧 随后进行时效和低温再结晶处理 制备出屈服强度为1137 1290MPa 抗拉强度为1266 1756MPa 晶粒尺寸为50 300nm的低碳超级钢 山东大学以Cr2Mn2Si为主 锻态试样经淬火回火处理后获得回火马氏体及少量贝氏体 残留奥氏体及碳化物组织 其中贝氏体由大量平行排列的宽度仅为几纳米到十几纳米的亚片条组成 U型缺口试样的冲击韧度aK 48 70J cm2 硬度为52 54HRC 抗拉强度 b 1850 2000MPa 57 西安建筑科技大学对72A优质盘圆钢进行强烈变形 珠光体钢组织中铁素体和渗碳体形成纳米晶 退火后组织中析出大量纳米渗碳体颗粒 得到高强度的纳米结构珠光体钢丝 抗拉强度由处理前的1033MPa上升到2580MPa 硬度达到60HRC 同济大学采用高能表面处理技术对40Cr钢的表面进行处理 使表面层的晶粒细化为纳米晶 平均晶粒尺寸约为11nm 样品表面纳米层的硬度超过6GPa 而基体材料的硬度仅有2GPa左右 58 北京机电研究所利用表面机械研磨方法对16Mn钢进行表面组织超细化处理 发现其表层组织得到细化 由表及里依次为纳米和亚微米级晶粒 微米级晶粒和正常基体 而钢的硬度沿厚度方向逐渐减小 且表层硬度远远高于内部基体的硬度 机械研磨处理后样品由表及里不同深度的硬度变化 59 增韧陶瓷 德国Jullch材料研究所用粒径小于20nm的SiC粉体作基体材料 再观入10 或20 的粒径为10 m的SiC粗粉 热等静压下合成了纳米结构的SiC块体材料 在强度等综合力学性能没有降低的情况下 断裂韧性提高10 25 达到5 6MPam1 2 发动机用陶瓷部件 纳米ZrO2 Al2O3增韧陶瓷 60 韩国釜山科技大学用多相溶胶凝胶方法制备堇青石 2MgO 2Al2O3 5SiO2 与ZrO2复合材料 经冷等静压和1320 烧结2小时获得致密堇青石 ZrO2纳米复合材料 断裂韧性为4 3MPam1 2 比堇青石断裂韧性提高将近1倍 采用小于50nm的SiC可以增强增韧Al2O3 添加平均粒径为30nm 体积分数5 的SiC粉末 1680 烧结后 比添加非纳米材料降低约100 获得相对密度达到98 8 的块体 纳米SiC颗粒镶嵌在Al2O3晶粒边界上 改善晶界结构 强化晶界 使其抗弯强度和断裂韧性分别达到489MPa和6 67MPam1 2 61 中科院用粒径为27nm的Al2O3粉体与粒径为5nm的ZrO2粉体复合 1450 热压成片状的块体材料 室温下拉伸后获得韧性断口 纳米晶须SiC提高Al2O3陶瓷的断裂韧性 随温度提高 无纳米晶须增强的Al2O3陶瓷的断裂韧性呈下降趋势 而SiC Al2O3纳米复合材料的断裂韧性保持不变 1000 后断裂韧性呈上升趋势 SiC Al2O3纳米复合材料K1c和温度的关系 62 耐磨涂层 芬兰技术研究中心用磁控溅射法成功地在碳钢上涂上纳米复合涂层 MoSi2 SiC 热处理后涂层硬度达20 8GPa 比碳钢提高几十倍 而且有良好的抗氧化 耐高温性能 同时克服单层纳米MoSi2容易开裂的缺点 充分显示纳米复合涂层的优越性 工具钢表面的AlN TiN纳米复合耐磨涂层 63 日本住友公司开发的AC105G AC110G等牌号的涂层是一种TiN与AlN交替的纳米多层涂层 层数可达2000层 每层厚度约为1nm 这种新涂层与基体结合强度高 涂层硬度接近CBN 抗氧化性能好 抗剥离性强 而且可显著改善刀具表面粗糙度 其寿命是TiN TiAlN涂层的2 3倍 瑞士Platit公司以AlN作为主层 TiN CrN为中间层 两者相互交替形成多层结构 当涂层厚度周期为7nm时涂层的硬度达到45GPa 64 Platit公司开发的新一代nc TiAlN 2Si3N4 纳米复合涂层是在强等离子体作用下 3nm的TiAlN晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内 在晶粒之间为1nm厚的Si3N4 这种结构使涂层硬度可达到50GPa 且高温硬度更是十分突出 当温度达到1200 时 其硬度值仍可保持在30GPa nc TiAlN 2Si3N4 纳米复合涂层 65 纳米复合塑料 粒径为10nm的TiO2 PP 聚丙烯 复合体系薄膜的弯曲模量比纯PP提高20 冲击强度提高40 含5 纳米TiO2时 纳米TiO2 EP 环氧树脂 复合材料拉伸强度为纯EP的485 弯曲强度为纯EP的245 缺口冲击强度为纯EP的878 纳米TiO2 PP材料冲击断口 纳米TiO2 PS材料冲击断口 66 纳米SiO2 聚酰亚胺 PI 复合材料 含10 纳米SiO2 的拉伸强度为PI的1 5倍 30 时断裂伸长率为PI的3倍 添加纳米SiO2的橡胶的弹性 耐磨性明显优于常规白炭黑橡胶 轮胎侧面的抗折性能由10万次提高到50万次 纳米Al2O3添加到PS 聚苯乙烯 中 体积含量15 时 复合材料拉伸强度为纯PS的4倍 冲击强度为纯PS的3倍 纳米SiO2 PP制成的保险杠 纳米改性PA制成的注塑件 67 纳米改性PA 尼龙 具有尺寸稳定性好 相对密度低 比强度高 韧性好 易成型等特点 还具有优良的耐热 耐冲击性能 纳米尼龙是高功能突击式自动步枪用材料良好的升级换代品 还可用于坦克发动机的弯管接头 高压行杆轴套 进排气管密封垫 摇箱 风扇 汽缸盖 定时齿轮箱 炮塔内贮箱等 68 功能型纳米复合材料 69 纳米复合材料的两相在纳米至亚微米范围内结合形成 两相界面间存在较强或较弱化学键 范德华力 氢键 复合后将会获得综合无机 有机以及纳米粒子的表面与界面效应 量子效应 小尺寸效应等的多种特性 具有一系列奇异的光 热 电 磁等性能 可制备具有各种特殊功能的纳米复合材料 应用前景极为广阔 70 纳米复合电磁波吸收材料 随着航天 航空技术的迅速发展 吸波隐身材料已发展为飞机 舰船 航天器 坦克 地面装备的关键材料 美国已将吸波隐身材料用于F117A B52 F22等型飞机 其优异性能为世人瞩目 提高吸波性能和减轻材料质量成为吸波复合材料的重要发展方向 采用纳米微粒的吸收剂是发展此类材料的重要途径之一 采用隐身涂料的美国宙斯盾导弹驱逐舰 71 在复合材料中加入吸收剂是目前广泛采用的方法 选用铁氧体 碳基铁等微粒 即使增加添加量 衰减效果很差 吸波小于2 82dB 密度由1 24增至1 72g cm3以上 添加粒径处于50 100nm的纳米碳粉 添加量小于10 可在减轻质量条件下 小于1 2g cm3 吸收性能可达到8dB以上 美F117隐形战斗机 72 法国研制成功一种宽频吸波涂层 它由粘结剂和纳米级微屑填充材料构成 纳米级微屑由3nm的磁性薄层及5nm的绝缘层堆叠而成 这种夹层结构微波磁导率的实部和虚部均大于6 在0 1 18GHz宽频带内 电阻率高于5 cm 与粘结剂复合的涂层在50MHz 50GHz频率范围内具有良好的吸波性能 73 美国在空心陶瓷基体上沉积Co Co Fe薄膜 不仅具有很低的密度 还具有很强的吸波能力 球形多层颗粒膜厚度为2mm时 在0 1 19GHz频率范围内吸收率为10dB 厚度为2 5mm时 8 18GHz频率范围内吸收率为20dB 采用这种颗粒膜 可以克服金属 铁氧体材料密度大的缺点 充分发挥单位质量损耗作用 美B52隐形战略轰炸机 74 纳米复合磁性材料 日本东北大学金属材料研究所制出Fe M B M Zr Hf或Nb 体心纳米结构复合材料 这种材料具有高磁导率和高饱和磁化强度 前者为20000 1kHz 后者大于1 5T 这主要归结为纳米结构使磁各向异性常数下降 磁畴壁易位移以及磁性纳米体心立方粒子通过其间残余非晶相磁耦合的结果 75 美国代顿大学采用直流溅射法制备NdFeB Fe纳米复合合金粉末 经过感应烧结和热变形后 获得最大磁能积达到440kJ m3的纳米复合磁体 纳米复合磁体的退磁曲线 热变形后纳米复合磁体的晶粒形貌 76 以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器 要求能探测10 2 10 6T的磁通密度 在超微系统测量如此弱的磁通密度十分困难 瑞士实验物理所在聚碳酸酯的膜上腐蚀出有规则排列的纳米孔洞 用电沉积方法将纳米Co粒子填充到孔洞中 在其上再电镀一层Cu膜 重复上述过程形成Co Cu纳米粒子交替排列的丝 这种丝在室温下具有明显的巨磁电阻效应 巨磁电阻值达到15 至20 可作为微弱磁场探测器 探测磁场用霍尔探头 精度为0 1Gs 10 5T 77 将包裹表面活性剂的磁性微粒 通常为Fe3O4和铁氧体 直径约为10nm左右 高度弥散分布于特定基液中 得到的稳定复合体系便是纳米磁流体 纳米Fe3O4纳米复合磁流体 78 在这样小的尺寸下 强磁性颗粒已失去了大块材料的铁磁或亚铁磁性能 呈现超顺磁状态 在磁场作用下 磁性颗粒带动着包裹液体一起运动 将磁流体分布在金属表面 其中的纳米粒子能完全充填到金属表面的微孔中 形成比较平滑的金属表面 有利于在金属表面自动形成烃类分子保护膜 最大限度地减少金属与金属间的摩擦 耗能大大减少 机械噪声降低 机械寿命成倍增长 79 以氧化铝介孔团体作为基体 将纳米金属镍填充到孔隙中 对该体系进行磁性测量 发现纳米复合材料与金属镍的磁性完全不同 在居里点以下介孔复合体系的磁化率为一个常量 而高于居里点磁化准变为零 这一现象为设计新型温度磁开关提供了实验基础 80 纳米复合热防护材料 碳 酚醛是用于导弹和航天飞行器抗烧蚀的防热层材料 在弹头和航天飞机在大气层中飞行时 由于气动加热作用 酚醛树脂会迅速热解碳化 形成树脂碳 其数量和质量对防热层的烧蚀性能有很大影响 采用10 左右纳米碳粉可改善碳 酚醛防热层材料 在弹头防热层和火箭发动机喷管上得到应用 在超音速矩形管烧蚀条件下 随碳粉加入量增加 材料的线烧蚀率和质星烧蚀率均呈下降趋势 添加22 时 其线烧蚀率和质量烧蚀率改善幅度分别达到21 和16 81 出汗是常见的生理现象 通过汗液的蒸发带人部分热量 从而调节体温 高速飞行的飞行器与空气摩擦生成大量的热 使壳体温度升高 为及时散热 可把金属钨制成纳米介孔骨架保证强度 用低熔点的铜或银等填充在孔隙中 制成 发汗金属 温度升高 铜和银熔化 沸腾和蒸发 及时带走大量的热 保证火箭正常远行 生理出汗 仿生出汗可用于航天飞机 82 纳米复合涂料 纳米粒子远小于可见光的波长 400 760nm 对紫外光具有很强的吸收散射能力 纳米SiO2对400nm以内的紫外光的吸收率达到70 以上 纳米TiO2也有很强的散射和吸收紫外线的能力 改性添加后涂料抗紫外老化性能由250h提高到600h以上 复合添加对涂料的抗紫外老化性能有明显提高 纳米粒子改性外墙涂料耐老化性能对比 83 纳米材料的表面特性赋予纳米SiO2 TiO2 ZnO等填充的涂料以消毒杀菌和自清洁作用 用于涂料可提高其耐候性和抗污染能力 纳米ZnO能使涂层具有屏蔽紫外线 吸收红外线以及杀菌防毒的作用 通常与其它的纳米材料配合使用于内外墙涂料中 初始长满细菌实物照片 纳米复合改性内墙涂料抑菌效果 84 纳米材料具有高活性的大表面积 使其与成膜物和溶剂形成强大的相互作用力 表面活性中心与成膜物质的官能团发生次化学键结合 极大增加涂层的刚性和强度 纳米颜料和填料可以极大减少含量 大大提高填充比 改进涂层的机械强度 对纳米SiO2表面进行改性处理 改善润湿性 涂料耐擦洗性由1000次提高到10000次以上 纳米涂层后涂膜表观形貌 85 纳米复合阻燃材料 将传统阻燃剂纳米化可得纳米复合阻燃材料 纳米材料粒径小 活性大 燃烧时热分解速率加快 吸热能力增强 有效降低材料表面温度 且纳米颗粒能覆盖在聚合物凝聚剂表面 很好地促进碳化层的形成 在燃烧源和基材间形成热障 起到隔离阻燃的作用 阻燃材料 纳米阻燃材料的燃烧对比实验 86 高分子 纳米复合材料的一个显著特点是高分子材料的阻燃性能得到明显提高 蒙脱土不仅提高聚合物 纳米复合材料的力学性能 而且提高材料的阻燃性 热释放速率和燃烧时质量失重速率下降 但燃烧比热 单位消光面积和CO产率不变 87 纳米Mg OH