纳米复合材料_石家庄铁大

纳米复合材料 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 20 m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 3国内纳米界领军人物 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 第二位钱逸泰生年 1941单位 中国科学技术大学教授 博士生导师院士点评 钱先生是溶剂热合成的发明者之一 是溶剂相合成纳米材料的国际级专家 上世纪90年代后期在合成金刚石和立方氮化镓方面的工作受到广泛关注 乘此东风成为中国第一位纳米院士 可谓幸运星 第三位 白春礼 所在单位 中国科学院副院长 中国科协副主席 中国科学院院士 第三世界科学院院士 国家纳米科技指导协调委员会首席科学家 中国科学院纳米中心学术委员会主任 近年来 在从事纳米科技研究的同时 白春礼院士积极推动着我国纳米科技事业的发展 参与国家纳米科技发展规划的制定 作为纳米科技领域有影响的代表人物 积极推动社会对纳米科技内涵的全面理解 促进纳米科技研究与产业化在我国的健康发展 3国内纳米界领军人物 第四位姓名 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 3国内纳米界领军人物 第五位江雷2009选为院士生年 19652012年当选发展中国家科学院 TWAS 院士贡献 亲双疏界面材料微观机制点评 江先生是亲双疏界面材料研究较早的科学家之一 首次从微观上澄清了亲双疏的本质 最近几年来在此领域做出了不错的工作 得到同行的赞扬 俗话说一招鲜吃遍天 尽管他的研究领域比较狭窄 但是有一定深度 也是值得称道的 尽管年纪轻 如今已是国家纳米中心的首席科学家之一 3国内纳米界领军人物 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 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 1 3国外知名华裔纳米界著名人士 纳米科技融介观体系物理 量子力学等现代科学为一体 研究1 100nm尺度内原子 分子的行为与规律 并与超微细加工 计算机 扫描隧道显微镜等先进工程技术手段相结合 是基础研究和应用开发紧密结合的多学科交叉体系 纳米科技在材料科学 凝聚态物理学 机械制造 信息科学 电子技术 生物遗传 高分子化学以及国防和空间技术等众多领域都有着广阔的应用前景 因而对它的研究在全世界范围内都引起了高度重视 科学家普遍认为 在新的世纪内 信息科学和生命科学是科学技术发展的主流 纳米科学技术是信息和生命科学能够进一步发展的共同基础 纳米科技必将成为21世纪的主导新技术之一 1纳米材料与其他学科的交叉 渗透 根据纳米科学技术的研究内涵和特点 其发展历史大致可划分为三个阶段 第一阶段 1990年以前 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体 合成块体 包括薄膜 研究评估表征的方法 探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能 第二阶段 1994年前 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理 化学和力学性能 设计纳米复合材料 第三阶段 从1994年到现在 纳米结构的组装体系越来越受到人们的关注 更强调按人们的意愿设计 组装 创造新的体系 更有目的地使该体系具有人们所希望的特性 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 2纳米科技的研究历史和发展趋势 超声波分散是利用超声技术来达到弱化纳米粒子间的纳米作用能 实现分散的 若停止震荡 这有可能使纳米粒子再度团聚 其对极细小的纳米颗粒分散效果也不理想 机械搅拌分散是借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中 在机械搅拌下纳米粒子的特殊结构容易产生化学反应 形成有机化合物支链或保护层 使纳米粒子更易分散 分散剂分散 1 加入反絮凝剂形成双电层 选择适当的电解质作为分散剂 使纳米粒子表面形成双电层 通过双电层之间的库伦排斥作用使纳米粒子分散 2 加界面活性剂包裹微粒 加入适当的表面活性剂 吸附在粒子表面 形成微胞 由于活性剂的存在而产生粒子间的排斥力 防止团聚体的产生 然而 分散剂添加时间的不同使保护效果不同 在反应前将分散剂分散在溶液中效果最好 随着分散剂添加量的增加 粒子的粒径变小 由于纳米颗粒度很小 比表面积大很多 在浓度大时易发生 聚集长大 从而降低了分散效果 此外分散剂黏度较大时 其保护作用明显 而且由于黏度大而使颗粒不易聚集 影响因素 1 颗粒的表面性质 如表面官能团的类型 酸碱性 比表面积等 2 表面改性剂的种类 用量及方法3 工艺设备及操作条件 如设备性能 物料的运动状态或机械对物料的作用方式 反应温度和反应时间等 化学改性分散是利用聚合反应等在纳米粒子表面进行的化学反应 在纳米粒子表面构成聚合物层 从而达到表面改性 纳米复合粒子的复合通常是在纳米粒子与微米级 亚微米级及纳米级粒子间的复合 粒径较大的称作母粒子或核心粒子 较小粒径的纳米粒子称为子粒子或包裹粒子 子 母粒子的平均粒径之比一般小于1 5 最好能小于1 10 如果其平均粒径之比大于1 5 则子 母粒子之间的复合稳定性将会很差 纳米粉体的制备 纳米粉体的制备 常用的制备纳米粉体的物理法有1 惰性气体冷凝法制备纳米粉体 制备清洁界面纳米粉的主要方法之一 2 高能球磨法制备纳米粉体 是一种完全依赖机械能使大经理经球磨变成纳米晶来之辈纳米粉的方法 3 共混法制备纳米粉体 最原始的复合方法之一 4 异相凝聚法制备纳米粉体 带有不同表面电荷的粒子会相互吸引而凝聚 形成纳米复合粒子 当介质中含有两种带有不同典型的粒子混合时 小粒子就会吸附在大粒子表面形成复合粒子 纳米粉体的制备 常用的制备纳米粉体的化学法有1 溶胶 凝胶法 该方法是制备纳米粒子及纳米纳米复合粒子的最早方法之一 2 湿化学法制备纳米粉体 主要方法 共沉淀法 乳浊液法 水热法等 3 水热法 主要利用水热沉淀和水热氧化反映合成纳米粉 4 微乳溶液法 微乳液是两种不互溶的液体形成的热力学稳定的 各项同性的 外观透明或半透明的分散体系 微观上由表面活性剂使界面稳定的一种或两种液体组成 5 化学气相沉积法 以挥发性金属化合物或有机金属化合物等蒸汽为原料 通过化学反映生成所需要的物质 在保护气体还进下快速冷凝 从而制备出各种纳米颗粒 6 溶剂蒸发法 将溶液先制成微笑液滴 再加热使溶剂蒸发 用之析出 即得到所需纳米粒子 物理复合法总结 在物理复合法中 物理和化学反映是同时或分阶段进行的 不能严格分开 对物理复合法 最重要的是要求复合粒子稳定 对粒子之一为载体的 要求作用粒子与载体不易分离 对希望获得子 母粒子的协同效应或综合性能的 要求粒子最好能均匀分散与母粒子内部及表面 化学复合法总结 对化学复合法 粒子复合通常较物理法要稳定 其生成的复合粒子最好能粒度小且均匀 对某些复合法还需要考虑对生成的复合粒子的收集问题 物理化学复合法共同存在的问题 无论是物理法还是化学法 总会存在粒度不均的情况 因此 在复合前后采用一些分级设备对粒子进行分级处理 纳米复合材料 纳米复合材料涉及范围较宽 种类繁多 分为4大类 1 0 0复合 即不同成分 不同相或者不同种类的纳米粒子复合而形成纳米固体 这种复合体的纳米粒子可以是金属与金属 金属与陶瓷 金属与高分子 陶瓷与陶瓷 陶瓷和高分子等构成的纳米复合体 2 0 3复合 即把纳米粒子分散到常规的三维固体中 例如 把金属纳米粒子弥散到另一种金属或合金中 或者加入常规的陶瓷材料或高分子中 纳米陶瓷粒子 氧化物 氮化物 放入常规的金属 高分字及陶瓷中 3 0 2复合 即把纳米材料分散到二维的薄膜材料中 这种复合材料又可分为均匀弥散和非均匀弥散两类 均匀弥散 纳米粒子在薄膜中均匀分布 人们可根据需要控制纳米粒子的粒径及粒间距 非均匀弥散 指纳米粒子随机地混乱地分散在薄膜基体中 纳米复合材料 4 纳米层状复合 即由不同材质交替形成的组分或结构交替变化的多层膜 各层膜的厚度均为纳米级 例如 Ni Cu多层膜 Al Al2O3纳米多层膜等 其中第三种和第四种可统称为纳米复合薄膜材料 纳米固体复合材料纳米复合材料为发展高性能的新材料和改善现有材料性能提供了新的途径 纳米复合材料的合成 惰性气体凝聚原位加压成型法 机械合金化 非晶晶化法 溶胶 凝胶 而纳米复合材料的制备 德国斯图加特金属研究所和中国上海硅酸盐研究所都成功的制备了纳米复合材料 这种材料具有高强 高韧 优良的热和化学稳定性 纳米固体材料的制备方法有 1 直接高压合成 Al2O3和SiO2纳米材料为了避免烧结过程中晶粒生长 Gallas等采用超高压技术奖纳米陶瓷粉直接压成高密度陶瓷材料 获得坚硬 无裂纹的透明SiO2凝胶型纳米材料和半透明 Al2O3纳米材料 高压和室温条件相结合的工艺可能有于有机物质和无机基体之间的合成 此外还可以避免由于温度变化引起的材料相变 2 制备纳米SiC陶瓷Mitomo等用平均粒径为90nm的SiC粉为起始原料 加适当的添加剂Al2O3 Y2O3和CaO 在1750 热压可获得致密纳米SiC陶瓷 3 制备纳米TiO2陶瓷Siegel等用气相凝聚法以及随后的原位压来制备超细纳米TiO2材料为了获得更致密的结构可在900 烧结14h 其密度超过理论密度的90 但晶粒增长过快 4 制备纳米晶ZrO2 3 Y2O3陶瓷用混合硝酸盐经化学沉淀法得到无定形或多晶ZrO2 3 质量 Y2O3粉末 纳米层状材料 层状化合物的结构具有特殊性 其本身是一种特殊的纳米结构 同时又可作为制备无机 无机 无机 有机 纳米复合词 纳米复合材料的母体材