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1、哈尔滨工业大学学 号 ： 1091900101姓 名 ：唐 骜学 院 ：材料学院2011 年 11 月 10 日新型功能材料的制备前言：功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物 功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的 重要基础材料，同时，功能材料也是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着 重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85% 。随着 信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用， 是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世 界各国新材料领域研究发展的重点，也是世
2、界各国高技术发展中战略竞争的热点正文：一、复合材料汇报总结（1）复合材料的定义。由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学 的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。（2）复合材料的组成。复合材料是由基体和增强体两部分组成的。（3）复合材料的分类。按照基体分，可分为树脂基复合材料、金属基复合材 料和陶瓷基复合材料。如果按照增强体的形状分类，可分为颗粒增强复合材料、 夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。（4）复合材料的成形工艺。复合材料的成型工艺比较多，我简单介绍了三种。 手糊成型工艺，主要用来制备树脂基复合材料，；反应自生成法，主要用来制备 金属基复合材料;热压法，主要用来制备陶瓷基复合材料。
3、（5）复合材料在航天航空领域的应用。（6）具体实例：增强体蜂窝状结构 TiCp/TC4 钛基复合材料的制备。二、参观实验内容及结果总结实验一硬脂酸LB膜的制备及表征（1）实验目的:1. 熟悉垂直提拉法的基本原理2. 掌握 LB 膜的制备方法3. 了解 LB 膜的发展状况（2）实验原理1. LB 膜材料在亚相上的展开机理2. 典型的 LB 膜材料及有序单分子层的形成3. 亚相液面上单分子膜的特征参数及状态（3）实验仪器及药品LB 拉膜机、超纯水机、真空泵、恒温槽、硬脂酸、乙醇、氯仿、异丙醇 硫酸、重铬酸钾。（4）实验内容1. 基片和槽子的处理2. 溶液的配置3. 基片n 曲线4. LB 膜的制备
4、5.成膜性能的判断（5）工艺流程：计算成模量f称量配液f清洗LB膜槽f铺展f滴液f拉膜f成膜（6）实验结果：)m/Nm(erusserpecafru层序号转移比层序号转移比12.27651.65620.44260.23131.97071.52240.4777）实验结果总结：1. 膜厚为分子级水平（纳米数量级），具有特殊的物理化学性质；2. 可以制备单分子膜，也可以逐层累积，形成多层LB膜或超晶格结构，组装方式任意选择；3. 可以人为选择不同的高分子材料，累积不同的分子层，使之具有多种功能；4. 成膜可在常温常压下进行，不受时间限制，所需能量小，基本不破坏成膜 材料的高分子结构；5. LB 膜技
5、术在控制膜层厚度及均匀性方面远比常规制膜技术优越；6. 可有效地利用LB膜分子自身的组织能力，形成新的化合物； 通过实验，较成功地制备出了多层 LB 膜，转移比符合实验结果要求。（8）思考题:1. 基片与成膜材料是如何结合在一起的？ 答：基片表面为亲水面，与硬脂酸的亲水基团相互吸引结合在一起。2. 以水作为亚相，为什么要用超纯水？答：水中的杂志会影响成膜质量3. 实验中最应该注意的事项有哪些？实验前清洗LB槽；合理选择溶剂；亚相如果是水要用超纯水；拉膜的速度要 适中。实验二 静电纺丝法制备湿敏纳米纤维（1）实验目的1. 熟悉静电纺丝法制备湿敏纳米纤维的基本原理2. 了解静电纺丝的优点及其材料的
6、应用前景3. 了解纳米纤维的性能及应用（2）实验原理将聚合物溶液或熔体带上几 10 10 V 高压静电，带电的聚合物液滴在电场 的作用力下在毛细管的 Taylor 锥顶点被加速。当电场力足够大时聚合物液滴可 克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接受装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。下面解释形成 Taylor 锥的原因：从表 面现象的研究可知，在毛细管顶端的液滴，将成为凸形的半球状。可在液滴表面 上施加一电位，液滴曲面的曲率将逐渐改变，当电位达到某一临值Vc时，半球 状液滴会转变为锥形，其锥形的角度为 49.3，这一带电的锥体称为 Taylor 锥。 静电纺丝能使
7、纤维变成纳米级的原因是：在强电场作用下，流体进而可以从 Taylor 锥中被顶出，形成射流，直径变小。由电流体动力学分析可知，注入流 体的表面电荷可能发生衰减，表面电荷与电场的偶合力可以导致出现切向电应力 这是使带电液流加速和直径减小的主要推动力，与之抗衡的主要是粘性应力。另 一方面，与法向电应力平衡的是表面张力和相之间的压力差。在理论研究中首先 应建立牛顿流体电纺的数学模型，写出这种细长状射流的电流体动力学的完整方 程组，主要包括流体的粘度、电导率、电荷密度等参数。根据这种射流细化模型 的理论分析，可以预示出射流横切剖面和表面电荷分布随射流位置而改变。 （3）实验装置+ High Volta
8、geSyringeSyringe PumpPower SupplyAluminum PlateCollector4）工艺流程（5）实验结果及结论无序PNIPAAm/PAMPS纳米纤维通过正交试验得出较佳电纺工艺参数条件：C=7%, U=10kV, L=20 cm, R=0.005 “Lnin-i； 较佳电纺工艺参数条件下制得的纤维 d=148.42 nm； PNIPAAm/PAMPS纤维平均直径随聚合物溶液的浓度的增大而增大； PNIPAAm/PAMPS纤维膜具有温度敏感特性：20C时纤维膜呈现亲水性,40 C时纤维膜呈现疏水性。有序PNIPAAm/PAMPS纳米纤维有序PNIPAAm/PAM
9、PS纤维的有序性随着电纺时间的增大而逐渐增强； 在相同的浓度条件下，有序PNIPAAm/PAMPS纤维的平均直径比无序PNIPAAm/PAMPS纤维的平均直径小。载药PNIPAAm/PAMPS纳米纤维载药PNIPAAm/PAMPS纤维表面均一光滑、无液珠结构，无粒子吸附状态； 相同电纺溶液浓度条件下制得的载药纤维的平均直径大于无药纤维的平 均直径；载药纤维膜具有温度敏感特性:20C时,载药纤维膜呈现亲水性,40C时， 载药纤维膜呈现疏水性； 20C时，载药纤维膜遇水失去纤维形态，药物以粒子形态析出，40C时， 载药纤维遇水仍保持纤维形态,无药物粒子析出。三、新型功能材料应用前景及展望当前国际功
10、能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材 料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料 及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在 成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。1超导材料 以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核 磁共振人体成像(NMRI)、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用； SQUID 作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用 其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临 界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中
11、使用，因而严重地限制了低温 超导应用的发展。2. 生物医用材料 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速 发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20 年内，生物医 用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医 用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向；医 用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料，带有 治疗功能的 HA 生物复合材料的研究也十分活跃。3. 能源材料 太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点， IBM 公司研制 的多层复合太阳能电池，转换率高达 40%。美国能源部在全部氢能研究
12、经费中， 大约有 50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材 料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质 子交换膜等，都是目前研究的热点。5.智能材料 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后 的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的 发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能 化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发 展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司 在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反 应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反 应时间，仅为 10 分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变 液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。四、参考文献：1. 覃小红，王善元 静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景 【J】 第 29卷第2期2004年04月2. 新型功能材料新材料产业2004年04期
