纳米复合材料简介

纳米复合材料,韩国琪,J高分子1001,3101126011,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1020m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,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！,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,2.纳米粒子的结构、性能,纳米粒子的尺寸范围一般是1100nm。当材料尺寸减小到纳米级的某一尺寸，材料的物性会发生突变，与同组份的常规材料的性能完全不同，所以纳米级材料表现出强烈的尺寸依赖性。而粒子的尺寸小于1nm时，称为团簇，其总原子数从几个至几十个，几乎所有的原子都排列在粒子的表面上。纳米粒子尺寸小，比表面积大，位于表面上的原子占相当大的比例，因此粒子表现为具有壳层结构（包括键态、电子态、配位数等）,具有闭壳层电子结构的金属，如II主族的Ca、Mg等，其纳米粒子内部的原子间距比常规块材的要大，相应地结合力性质从金属键向范德华力转变；常规的Si、Ge等材料是典型的共价键型材料，而其纳米粒子表现出金属键的性质；常规的离子键材料，如金属卤化物等，其纳米粒子带有共价键的性质，且主要是由于表面原子的贡献。,原子间相互作用变化示图,纳米粒子的性能,由于纳米粒子的结构和原子间相互作用发生了上述变化，导致在化学、物理（热、光、电磁等）性质方面表现出特异性;小尺寸效应（材料周期性边界条件的破坏）；表面或界面效应（表面能和活性的增大）；量子尺寸效应（电子能级或能带结构的尺寸依赖性）等。,化学性质方面金属纳米粒子在空气中易氧化，甚至燃烧；纳米粒子具有常规材料所没有的催化性能，且可以有特征反应，在提高催化反应效率、优化反应路径、提高反应速度和定向等方面，提供了新的途径。物理性能方面热性能：由于纳米粒子尺寸小，表面能高，其熔点、开始烧结温度和晶化温度比常规粉体低；例如纳米银的熔点可低于373K；常规氧化铝烧结温度在19732073K之间，而纳米氧化铝可在14231673K之间烧结，致密度可达99.0以上,电性能：粒子尺寸小于某一临界尺寸后，材料的电阻会发生突变，例如金属会变为非导体。纳米粒子的光学性能由于受量子尺寸效应和表面效应的影响，其变化尤为显著。如贵金属所呈现的三阶非线性光学性能等。磁性能：铁磁性材料粒子的尺寸减小至单畴态时，通常呈现高的矫顽力，进一步减小尺寸，则受热扰动影响，表现为超顺磁性。,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”。,3.纳米科技的研究历史和发展趋势,石块撞击引起应力发白,普通高分子材料,纳米复合材料,喷漆抗刮擦能力,普通高分子材料纳米复合材料,成炭不蔓延不滴落,不成炭蔓延滴落,纳米复合材料普通高分子材料,阻燃性,19802002年纳米复合材料国际专利统计,当纳米材料为分散相。有机聚合物为连续相时，就是聚合物基纳米复合材料。纳米复合材料构成可示意下：,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,纳米复合的发展已经成为纳米材料工程的重要组成部分。世界发达国家发展新材料的战略，都把纳米复合材料的发展摆到重要的位置美国在1994年11月中旬召开了国际上第一次纳米材料商业性会议，纳米复合材料的发展和缩短其商业化进程是这次会议讨论的重点；德国在制定21世纪新材料发展的战略时，把发展气凝胶和高效纳米陶瓷作为重要的发展方向；英国和日本各自也都制定了纳米复合材料的研究计划纳米复合材料研究的热潮已经形成,四、纳米复合材料的应用,1、复合涂层材料(compositecoatingmaterials),.纳米涂层材料由于具有高强、高韧、高硬度特性，在材料表面防护和改性上有着广阔的应用前景.近年来纳米涂层材料发展的趋势是由单一纳米涂层材料向纳米复合涂层材料发展,（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ZrO2-3Y2O3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。,2、高力学性能材料,所谓高力学性能是指比目前常规材料所具有的强度、硬度、韧性以及其他综合力学性能更好、更优越的性能，除了对传统材料进行改性以外，发展高效力学性能材料已提到材料科学工作者的面前，在这方面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,3、高强度合金,日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法（卢柯1990非晶态是一种亚稳态，随着热处理温度上升，晶化相（晶体）析出，最后达到平衡态，就好像将非晶体在某条件下转化为晶化相。）制备了高强、高延展性的纳米复合合金材料，其中包括纳米Al-过渡族金属-镧化物合金,纳米Al-Ce-过渡族金属合金复合材料，这类合金具有比常规同类材料好得多的延展性和高的强度(13401560MPa)这类材料结构上的特点是在非晶基体上分布纳米粒子,大块金属玻璃(bulkmetallicglass-BMG),大块金属玻璃在导电性，强度，导热性方面具有金属的特性，但在原子排列上却又类似于玻璃的原子一样呈无序排列。大块金属玻璃具有很高的强度、硬度、弹性、刚性和优异磁学、耐腐蚀、耐磨损性能等，它可以经受180弯曲而不断裂，断裂韧性值可达到钢的5倍。,Zr基块体非晶合金已做成新一代高尔夫球拍材料倍受青睐。,五、应用探索,Ps:基于大块金属玻璃具有良好的力学、化学及物理性能,而且逐渐突破了尺寸的限制,使之能制作成机械结构材料、精密光学材料、模具材料、耐腐蚀材料、储氢材料、软磁和硬磁材料,应用于机械、电子、航天、汽车、化工、军事等多领域。,2.在军工方面做为穿甲弹材料已列入美国国防部研究计划。,纳米复合材料的应用前景,用于医学牙质材料,3增韧纳米复相陶瓷纳米尺度合成使人们为之奋斗将近一个世纪的陶瓷增韧问题的突破成为一种可能,锆铝复合陶瓷，口腔医学应用,4.超塑性（superplasticity）自20世纪80年代中期以来，超塑性陶瓷材料相继在实验室问世Wakai和Nieh等人在加Y2O3稳定化剂的四方二氧化锆中(粒径小于300nm)观察到了超塑性，他们在此材料基础上又加入20%Al2O3，制成的陶瓷材料平均粒径约500nm，超塑性达200至500,5.仿生材料(bionicmaterials)仿生材料的研制是当前材料科学中学科交叉的前沿领域.纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点已开始转向纳米复合材料,这是因为自然界生物的某些器官实际上是一种天然的纳米复合材料.一些发达国家，如美国，日本，德国、俄罗斯已经开始制定为人类健康服务的仿生材料的研究计划，而纳米仿生材料的位置也越来越重要高.,生物体的壳为纳米结构，有机体作